›
›

Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường

pdf 87 trang vanle 2760
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_tap_thuc_hanh_mo_hinh_hoa_moi_truong.pdf

Nội dung text: Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BÙI TÁ LONG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 3/2012
  2. Tài liệu này được biên soạn để giúp sinh viên, học viên thực hiện tốt nội dung thực hành môn học “Mô hình hóa môi trường”, trong khuôn khổ một học kỳ. Song song với giờ học lý thuyết, phần thực hành chiếm vị trí quan trọng giúp sinh viên, học viên giải quyết nhiều nội dung phức tạp của môn học. Tài liệu được chia ra thành ba chủ đề lớn: mô hình sinh thái học với việc giải phương trình và hệ phương trình vi phân thường với công cụ ModelMaker, mô hình ô nhiễm không khí, mô hình ô nhiễm nước mặt với việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng khi phải lưu ý tới yếu tố không gian và thời gian. Trong mỗi mục đều có các bài tập mẫu kèm theo lời giải chi tiết, bình luận, danh sách các câu hỏi để người sử dụng có thể kiểm tra lại kiến thức của mình, danh mục các tài liệu tham khảo. Các bài tập được thực hiện trên các phần mềm môi trường Envim, Qual2K, Mike 11. Các phương pháp được trình bày trong giáo trình này có thể áp dụng để thực hiện khóa luận, đồ án, luận văn, luận án hay các công trình khoa học khác có ứng dụng phương pháp mô hình hóa. Bản quyền @ 2011 Bùi Tá Long, phó giáo sư, tiến sĩ khoa học, ii
  3. LỜI NÓI ĐẦU Mô hình là một công cụ không thể thiếu của khoa học, cho phép tìm hiểu thực tế một cách nhanh nhất và ít tốn kém nhất. Thực tiễn phát triển khoa học cho thấy rằng mô phỏng chính xác hoàn toàn, ngay cả một yếu tố nhỏ không hề là một nhiệm vụ dễ dàng. Tuy vậy, mô hình hóa cho phép các nhà khoa học tương tác lặp đi lặp lại với thực tế, liên tục thử nghiệm các giả định được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo phù hợp với thực tế. Nghiên cứu mô hình môi trường là một chủ đề phức tạp, bởi lẽ mô hình được xây dựng từ các quan điểm khắc khe của nhiểu ngành khoa học tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh học đến xã hội học. Các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này luôn cố gắng mô tả thực tế một cách xác thực nhất để đưa ra những quyết định giúp cải thiện mối quan hệ giữa con người với môi trường, dựa trên nền tảng dữ liệu được tích hợp và kiến thức đa ngành. Hiểu theo nghĩa này mô hình trở thành một kỹ năng và công cụ không thể thiếu. Ngày nay khi mô hình trở thành một công cụ ngày càng được sử dụng để cung cấp luận cứ khoa học hướng vào giải quyết các vấn đề về môi trường và biến đổi khí hậu thì mối quan tâm của các nhà hoạch định chính sách, ra quyết định và công chúng nói chung cũng không ngừng tăng lên. Do vậy môn học Mô hình hóa môi trường đã được giảng dạy tại hầu hết các cơ sở có đào tạo về tài nguyên môi trường và biến đổi khí hậu. Việc biên soạn giáo trình giảng dạy, do vậy cấp thiết hơn bao giờ hết khi nhiều vấn đề về môi trường cũng như biến đổi khí hậu đã gây tác động tiêu cực tới sự phát triển bền vững của đất nước. Mục tiêu của cuốn “Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường” này là giúp cho sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh làm quen với giải các bài tập của môn học mô hình hóa môi trường. Sau lần xuất bản cuốn sách giáo trình “Mô hình hóa môi trường” lần đầu tiên vào năm 2008 tác giả nhận thấy cần thiết phải biên soạn tài liệu này bởi việc thực hiện các tính toán số trên các mô hình toán sẽ giúp làm rõ ảnh hưởng các điều kiện khác nhau lên các hệ thống đang được mô hình hóa. Tất cả những điều này cho phép hiểu sâu sắc hơn ý nghĩa của iii
  4. ứng dụng mô hình trong dự đoán sự thay đổi của môi trường, hiểu rõ hơn những tiên đề, qui luật trong phần lý thuyết. Điểm đặc biệt của tài liệu này là gắn với các phần mềm môi trường. Điều này sẽ giúp sinh viên, học viên thực hiện nhiều tính toán thí nghiệm trên mô hình số gắn với kỹ thuật bản đồ điện tử - một công cụ trực quan không thể thiếu hiện nay. Giáo sư người Đức Walter R. Erdelen, người chịu trách nhiệm cao nhất về khoa học tự nhiên của UNESCO đã từng nói một quyết định môi trường là không toàn vẹn nếu không ứng dụng mô hình để dự báo và chính sự hoạt động không mệt mỏi của những người làm mô hình đã góp phần thay đổi nhận thức của con người trong những vấn đề sống còn của thế kỷ XXI – đó là vấn đề biến đổi khí hậu. Lần đầu tiên biên soạn tài liệu này, dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn tài liệu này vẫn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn chế. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của tất cả bạn đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong công tác quản lý và nghiên cứu môi trường. Đà Lạt, Huế, Tp. HCM tháng 3 năm 2012 Tác giả PGS.TSKH. Bùi Tá Long iv
  5. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU III MỤC LỤC V MỞ ĐẦU 1 Nhiệm vụ thực hành 1 Phương pháp thực hiện 1 1. BÀI THỰC HÀNH 1. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS 3 1.1. Mục tiêu 3 1.2. Mô tả phương pháp 3 1.3. Các bước giải bài tập 6 1.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Gauss) 11 1.5. Bài tập tự giải 22 1.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 23 Tài liệu tham khảo 24 2. BÀI THỰC HÀNH 2. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH BERLIAND 25 2.1. Mục tiêu 25 2.2. Mô tả phương pháp giải 25 2.3. Các bước giải bài tập 30 2.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Berliand) 40 2.5. Bài tập tự giải 49 2.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 50 Tài liệu tham khảo 50 3. BÀI THỰC HÀNH 3. TÍNH TOÁN Ô NHIỄM TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN DÀI HẠN 52 3.1. Mục tiêu 52 3.2. Mô tả phương pháp giải 52 3.3. Các bước giải bài tập 57 3.4. Ứng dụng phần mềm CAP 69 3.5. Bài tập tự giải 78 3.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 79 Tài liệu tham khảo 80 4. BÀI THỰC HÀNH 4. TÍNH TOÁN Ô NHIỄM CHO TRƯỜNG HỢP NHIỀU NGUỒN THẢI 81 4.1. Mục tiêu 81 4.2. Mô tả phương pháp 81 4.3. Các bước giải bài tập 91 v
  6. 4.4. Ứng dụng phần mềm ENVIMAP 97 4.5. Bài tập tự giải 104 4.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 105 Tài liệu tham khảo 106 5. BÀI THỰC HÀNH 7 : MÔ HÌNH PHELPS – STREETER 107 5.1. Mục tiêu 107 5.2. Mô tả phương pháp 107 5.3. Các bước giải bài tập 118 5.4. Ứng dụng phần mềm STREETER 126 5.5. Bài tập tự giải 131 5.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 134 Tài liệu tham khảo 134 6. BÀI THỰC HÀNH 6. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG Q2K 136 6.1. Mục tiêu 136 6.2. Mô tả phương pháp 136 6.3. Các bước giải bài tập 153 6.4. Ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K 164 6.5. Bài tập tự giải 167 6.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 170 Tài liệu tham khảo 170 DANH MỤC HÌNH 172 DANH MỤC BẢNG 175 TÁC GIẢ VIẾT TÀI LIỆU NÀY 177 vi
  7. MỞ ĐẦU Nhiệm vụ thực hành Mô hình hóa môi trường dựa trên các tiên đề toán học và các phương pháp toán thể hiện qui luật vật lý, hóa học, sinh học. Môn học này đòi hỏi sinh viên, học viên khả năng tự học và nghiên cứu thông qua phân tích các đối tượng được xem xét. Vì vậy không có thực hành những bài giảng lý thuyết không thể được coi là đầy đủ. Nhiệm vụ của phần thực hành gồm: 1/ Hỗ trợ phát triển thế giới quan khoa học nói chung. 2/ Cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các phương pháp toán sự phân bố ô nhiễm, phạm vi, mức độ ảnh hưởng của các nguồn thải trong môi trường khí, nước. 3/ Làm rõ vai trò và tầm quan trọng của phương pháp mô hình hóa và dự báo trong các bài toán môi trường. 4/Cung cấp cho sinh viên và học viên một khối lượng kiến thức toàn diện về phương pháp mô hình hóa môi trường, giúp họ nghiên cứu các ngành khoa học khác tốt hơn. Sinh viên thực hiện các bài tập thực hành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên giảng dạy môn học và một số phần mềm máy tính, sẽ làm quen với các phương pháp và công cụ xây dựng các mô hình toán. Việc thực hiện các tính toán số trên các mô hình toán sẽ giúp làm rõ ảnh hưởng các điều kiện khác nhau lên các hệ thống đang được mô hình hóa. Tất cả những điều này cho phép hiểu sâu sắc hơn ý nghĩa của ứng dụng mô hình trong dự đoán sự thay đổi của môi trường, hiểu rõ hơn những tiên đề, qui luật trong phần lý thuyết. Phương pháp thực hiện Phương pháp thực hiện các bài thực hành: 1/ Đọc kỹ phương pháp thực hiện bài thực hành. Khi đọc không cần quá tập trung vào các công thức toán học mà chỉ cần làm rõ mục tiêu chính của bài tập, đánh dấu những chỗ khó hay chưa thực sự hiểu. 1
  8. 2/ Thực hiện nhiệm vụ thực hành. Cần sử dụng phương pháp đã được hướng dẫn. Chú ý tìm ra sự phụ thuộc giữa những giá trị số được nhập vào phần mềm với kết quả số xuất ra bởi phần mềm. 3/ Kết thúc phần thực hành cố gắng trả lời các câu hỏi ở phần cuối mỗi công việc. Khi trả lời cố gắng tự trả lời, đừng dựa vào đáp số hay lời giải đã có sẵn trong tài liệu này. Đánh giá kết quả môn học được thực hiện dựa trên ba điểm sau: thứ nhất là điểm thi thực hành, phần này sinh viên thực hiện trên các phần mềm môi trường được học trên lớp trong phần thực hành. Thứ hai là kết quả thực hiện bài tiểu luận, trong phần này sinh viên sẽ thực hiện trong các nhóm với nhau (thông thường từ 3 – 5 sinh viên, học viên thành một nhóm). Các nhóm sinh viên, học viên sẽ được giáo viên giao đề tài ứng dụng mô hình môi trường giải quyết những nhiệm vụ thực tiễn cụ thể. Phần thi lý thuyết, sinh viên, học viên sẽ ôn tập theo các câu hỏi liên quan tới môn học và thực hiện bài kiểm tra với thời lượng 90 – 120 phút. 2
  9. 1. BÀI THỰC HÀNH 1. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS Các mô hình tính toán sự phát tán ô nhiễm trong môi trường không khí là biểu diễn toán học thể hiện quá trình phát tán tạp chất, các phản ứng hóa học diễn ra, kết hợp với tải lượng, đặc trưng của phát thải từ các nguồn công nghiệp và các dữ liệu khí tượng. Mô hình vệt khói Gauss (đơn giản gọi là mô hình Gauss) là một trong số những mô hình được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay. Mô hình Gauss còn có tên gọi là thống kê kinh nghiệm, được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss. Các nhà toán học có công phát triển mô hình này là Taylor (1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill (1962 – 1971), Seifeld (1975). 1.1. Mục tiêu Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phát tán ô nhiễm trong môi trường không khí theo phương pháp Gauss – Pasquill. 1.2. Mô tả phương pháp Hình 1.1. Chọn gốc tọa độ tại chân ống khói và hệ tọa độ gắn với nguồn thải 3
  10. Mô hình vệt khói Gauss là một trong số những mô hình được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay. Cơ sở của mô hình này là biểu thức đối với phân bố chuẩn hay còn gọi là phân bố Gauss các chất ô nhiễm trong khí quyển. Phương pháp này đã được Cơ quan bảo vệ môi trường liên bang của Mỹ khuyến cáo cho các tính toán mang tính quy phạm. Các mô hình dạng này thích hợp cả đối với những dự báo ngắn hạn lẫn dài hạn. Các dự báo ngắn hạn tính toán và vẽ bản đồ ô nhiễm với một giai đoạn tương ứng với các điều kiện tương đối ổn định. Cơ sở của mô hình được trình bày trong [2], [6], [8]. Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải (m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (g/s), nhiệt độ của khói thải (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : nhiệt độ không khí xung quanh (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m (m/s), trạng thái khí quyển, điều kiện nông thôn hay thành thị, áp suất khí quyển tại mặt đất. Công thức tính toán hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang, đứng sy(x), sz (x) - hàm số khoảng cách theo hướng gió, độ ổn định của khí quyển được cho trong các Bảng 1-1, Bảng 1-2. Bảng 1-1. Công thức tính sz (x), sy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Mức độ ổn σy(x) σz(x) định A 0,22x(1+0,0001x)-0.5 0,20x B 0,16x(1+0,001x)-0.5 0,12x C 0,11x(1+0,0001x)-0.5 0,08x(1+0,0002x)-0.5 D 0,08x(1+0,0001x)-0.5 0,06x(1+0,00015x)-0.5 E 0,06x(1+0,0001x)-0.5 0,03x(1+0,0003x)-1 F 0,04x(1+0,0001x)-0.5 0,016x(1+0,0003x)-1 Bảng 1-2. Công thức tính sz (x), sy(x) cho điều kiện thành phố Mức độ ổn σy(x) σz(x) định A – B 0,32x(1+0,0004x)-0,5 0,24x(1+0,001x)0,5 4
  11. C 0,22x(1+0,0004x)-0,5 0,12x D 0,16x(1+0,0004x)-0,5 0,14x(1+0,0003x)-0,5 E – F 0,11x(1+0,0004x)-0,5 0,08x(1+0,00015x)-0,5 Các hệ số sy và sz ở trên là các giá trị trung bình trong khoảng thời gian 10 phút (do vậy, nồng độ tạp chất tính được là nồng độ trung bình trong 10 phút),với các khoảng thời gian khác, Gifford (1976) đề xuất như sau: 0.2 æöTphut σyy(T=) σ(10phut.) ç÷ èø10 σzz(T=) σ(10phut) Như đã biết vận tốc gió thay đổi theo độ cao và người ta thường đo vận tốc gió tại độ cao 10 m, nhưng lại cần vận tốc gió tại miệng ống khói và tại độ cao hữu dụng. Có nghĩa là cần phải tính toán theo một công thức nào đó. Dưới đây là một trong số những công thức được Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ khuyến cáo: p ì æz ö ïU10 m ç ÷, z <200 m; U ()z =í è10 ø ï p îU10 m 2 , z ³200 m. Trong đó tham số p liên hệ với các lớp ổn định Pasquill – Hanna theo bảng dưới đây: Bảng 1-3. Công thức Smith tính tham số p theo lớp ổn định Loại tầng Điều kiện thành Điều kiện nông kết phố thôn p P A 0,15 0,07 B 0,15 0,07 C 0,20 0,10 D 0,25 0,15 E 0,30 0,35 F 0,30 0,55 5
  12. Bảng 1-4. Phân loại độ bền vững khí quyển theo Pasquill Vận tốc gió tại độ Điều kiện thời tiết ban Điều kiện thời tiết ban đêm cao 10 m ngày Bức xạ mặt trời ban Độ che phủ ban đêm (hệ số mây) ngày Mạnh Trung Yếu Lớn hơn 50% Nhỏ hơn 50% (biên bình (Biên độ > (Biên độ 15 600) độ 35- – 350) 600) 6 C C – D D D D Lưu ý. А – rất không ổn định; В – không ổn định vừa phải; С – không ổn định yếu; D – điều kiện trung tính; E – điều kiện ổn định yếu; F – điều kiện ổn định vừa phải. Bài tập 1.1. Một nhà máy phát thải có ống khói cao 45 m, đường kính của miệng ống 3 khói bằng 2 m, lưu lượng khí thải là 12,0 m /s, tải lượng chất ô nhiễm SO2 bằng 20 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC. Nhiệt độ không khí xung quanh là 30 ºC và tốc độ gió ở độ cao 10 m là 3 m/s. Cho trạng thái khí quyển là cấp C, điều kiện nông thôn, áp suất không khí tại mặt đất bằng 1013 Mbar. Hãy: a/Tính vệt nâng ống khói. b/Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m với thời gian trung bình bằng 10 phút. Bài tập 1.2. Hãy giải câu b/ bài tập 1.1 với thời gian trung bình bằng 60 phút. Hãy so sánh kết quả chạy mô hình cho hai trường hợp: 10 phút và 60 phút. 1.3. Các bước giải bài tập Các dữ liệu đầu vào:. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao bằng 45 (m), đường kính ống khói bằng 2 (m). Nhóm số liệu này lấy từ tái liệu thiết kế nguồn thải; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải bằng 12,0 (m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính bằng 6
  13. 20 (g/s), nhiệt độ của khói thải bằng 200 (ºC). Nhóm số liệu này lấy từ báo cáo đánh giá tác động môi trường; nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : nhiệt độ không khí xung quanh bằng 30 (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m bằng 3 (m/s), trạng thái khí quyển là cấp C, điều kiện nông thôn , áp suất khí quyển tại mặt đất bằng 1013 Mbar. Nhóm số liệu này lấy từ trạm khí tượng gần nguồn thải nhất. Trình tự các bước tính toán bài 1.1: 1. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 45 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3 p æ z ö U()z = U10 mç ÷ , z < 200 m è10ø Ta nhận được: 0,1 æö45 U(45m) =3,0´=ç÷ 3,49/(ms) èø10 Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói. 2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Các bước tính toán gồm: Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là: 12 w==3,82(m/s) p´´11 Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland ωDa æöT-T ç÷-3 khoixung_quanh Δh=ç÷1,5+2,68.10P.D u èøTKhoi Ta nhận được 3,82´2´-1,2æö-3 473303 Dh =ç÷1,5+2,68.10´1013´2´=9,07 3,49èø473 Độ cao hữu dụng được tính theo công thức 7
  14. H=h+Dh Ta nhận được H=45+=9,0754,07 (m) 3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,07 m là 0.1 æö54,09 U(54,09m) =3,0´=ç÷3,55/(ms) èø10 4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng sy(x), sz (x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng -0,5 sy(x) = 0,11x(1+0,0001x) -0,5 sz (x) = 0,08x(1+0,0002x) Ta nhận được: -0,5 sy(1200) = 0,11×1200×(1+0,0001×1200) = 124,73 (m) -0,5 sz (1200) = 0,08×1200×(1+0,0002×1200) = 86,21 (m) 5. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức M æ H2 ö C(x) = expç- ÷ ç 2 ÷ puHsysz è 2sz ø Ta nhận được 2 20´1000æö54,07 3 C(1200)=expç÷-2=0,137(mg/m ) 3,1415×3,55×124,73×86,21èø2×86,21 8
  15. Đáp số: Vệt nâng ống khói là: 9,07 (m), nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m là 0,137 (mg/m3). Trình tự các bước tính toán bài 1.2: 1. Cũng giống bài toán trên, áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 45 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3 p æ z ö U()z = U10 mç ÷ , z < 200 m è10ø Ta nhận được: 0,1 æö45 U(45m) =3,0´=ç÷ 3,49/(ms) èø10 Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói. 2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là: 12 w==3,82(m/s) π×1×1 Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland ωDa æöT-T ç÷-3 khoixung_quanh Δh=ç÷1,5+2,68.10P.D u èøTKhoi Ta nhận được 3,82´2´-1,2æö-3 473303 Dh =ç÷1,5+2,68.10´1013´2´=9,07 3,49èø473 Độ cao hữu dụng được tính theo công thức H=h+Dh Ta nhận được H=45+=9,0754,07 (m) 9
  16. 3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,07 m là 0.1 æö54,09 U(54,09m) =3,0´=ç÷3,55/(ms) èø10 4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng sy(x), sz (x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng -0,5 sy(x) = 0,11x(1+0,0001x) -0,5 sz (x) = 0,08x(1+0,0002x) Với thời gian trung bình là 60 phút, cần áp dụng công thức hiệu chỉnh 0.2 æö60 σyy(60=) σ(10phut.) ç÷ èø10 σzz(60=) σ(10phut) Ta nhận được: 0,2 -0,5 æö60 sy(1200)½60 p = 0,11×1200×(1+0,0001×1200) Íç÷= 178,48 (m) èø10 -0,5 sz (1200)½60 p = 0,08×1200×(1+0,0002×1200) = 86,21 (m) 5. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức M æ H2 ö C(x) = expç- ÷ ç 2 ÷ puHsysz è 2sz ø Ta nhận được 10
  17. 2 20´1000æö54,07 3 C(x=1200, y=0)=expç÷-2 =0,096(mg/m ) 3,1415×3,55×178,48×86,21èø2×86,21 Đáp số: Vệt nâng ống khói là: 9,07 (m), nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m là 0,096 (mg/m3). Như vậy kết quả tính toán bài 1.1 và bài 1.2 cho phép kết luận: nồng độ trung bình giờ thấp hơn so với nồng độ trung bình trong 10 phút. Bên cạnh đó độ nâng vệt khói không chịu ảnh hưởng bởi thời gian trung bình. 1.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Gauss) Phần mềm CAP (Computing for Air Pollution) phiên bản đầu tiên được thực hiện năm 1995. CAP có những chức năng khác nhau nhằm mục đích tự động hoá tính toán ô nhiễm không khí theo mô hình Gauss, Berliand, ISC3. Ở đây có các công cụ tính toán phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo chiều gió trong các điều kiện nông thôn và thành thị do một nguồn thải (ống khói) gây ra. Phần mềm này dễ sử dụng, có hướng dẫn sử dụng, tính nhanh, kết quả tính toán được thể hiện trên màn hình dưới dạng đồ thị và văn bản, có thể in ấn các kết quả này. Phiên bản CAP 3.0 vào tháng 9/2006. Từ năm 2008 trở đi CAP được đặt tên theo năm và được cập nhật thường xuyên. Các chức năng chính của CAP là: - Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian ngắn hạn theo các số liệu đầu vào. - Tính toán ô nhiễm trung bình theo khoảng thời gian lớn như trung bình ngày, trung bình tháng. - Tự động vẽ các vùng ảnh hưởng khác nhau bằng công cụ đồ họa. - So sánh kết quả tính toán với tiêu chuẩn Việt Nam - Thực hiện các báo cáo tự động, chuyển file kết quả qua E-mail. 11
  18. Hình 1.2. Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Gauss 1.4.1. Nhập thông tin ống khói Chọn mục “Ống khói” trong menu “Thông tin” Xuất hiện cửa sổ ống khói dùng để thêm hay chỉnh sửa các thông số về ống khói bao gồm: - Tên ống khói - Chiều cao ống khói (tính bằng m) - Đường kính (tính bằng m) - Vị trí đặt ống khói - Mô tả chi tiết về ống khói 12
  19. Trong mô hình, mặc định đã có hai ống khói tham khảo. Để tạo mới ống khói, ta chọn công cụ trên thanh công cụ, xuất hiện hộp thoại Hình 1.3. Hình 1.3 Hộp thoại tạo ống khói Nhập tên ống khói muốn tạo và xác định chiều cao đường kính cho ống khói. Cần thiết click vào nút để lưu lại kết quả. Lưu ý: Trong cửa sổ thông tin ống khói, ta có thể tạo nhiều ống khói và lưu ở đây. 1.4.2. Xây dựng kịch bản Chọn kịch bản Gauss để mô phỏng. Cần thực hiện các bước sau. Vào menu “Kịch bản” và chọn “Kịch bản Gauss” 13
  20. Hình 1.4 Cửa sổ kịch bản Gauss Sử dụng nút trên menu công cụ hoặc nút điều khiển , xuất hiện hộp thoại kịch bản trên Hình 1.5. Hình 1.5 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang thông tin 14
  21. Theo đề bài, đặt tên kịch bản là “Bai tap 1”, chọn chất ô nhiễm là “SO2”. Chọn nhóm thông tin về “Vận tốc – Tần suất gió” như Hình 1.6. Hình 1.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió”. Chọn nút điều khiển để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về: Hình 1.7 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” - Hướng gió: mặc định chọn hướng Tây 15
  22. - Vận tốc (m/s) ở độ cao 10m là 3m/s - Tần suất hướng gió (%): có một hướng gió tần suất là 100% - Độ ổn định: trạng thái khí quyển cấp C - Nhiệt độ không khí (0C): nhiệt độ không khí xung quanh là 30oC Sau mỗi thao tác nhập thông tin cho kịch bản, ta chọn công cụ để lưu thông tin. Hình 1.8 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản” Chọn nhóm thông tin “Thông số kịch bản”. Các thông số này bao gồm: - Áp suất (Mbar): mặc định là 1013. - Vùng: theo bài 1.1 chọn Nông thôn. - Điều kiện biên và vệt nâng ống khói: để mặc định. - Thời gian tính: nhập giá trị 60 phút. Cuối cùng, chọn nhóm thông tin “Số liệu phát thải trong kịch bản” như Hình 1.9 16
  23. Hình 1.9 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” Chọn nút điều khiển để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về: - Ống khói: chọn OK3 là ống khói ta tạo ra trong phần Thông tin ống khói. - Lưu lượng: theo bài 1.1 là 12 m3/s - Tải lượng: theo bài 1.1 là 20 g/s - Nhiệt độ khói thải: bài 1.1 là 200oC Sau khi hoàn tất việc nhập thông tin cho kịch bản, chọn công cụ để lưu thông tin và chọn công cụ để thoát khỏi hộp thoại. 1.4.3. Chạy kịch bản Để chạy mô hình trong CAP 2010, ta vào tab “Bản đồ” và thực hiện theo một trong hai cách sau: 17
  24. Click chuột vào menu mô hình trên cửa sổ làm việc chọn “ Chạy mô hình” Click vào biểu tượng trên thanh công cụ Xuất hiện hộp thoại chạy mô hình như trong Hình 1.10. Hình 1.10 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1 Trong hộp thoại bước 1, ta thiết lập các thông tin sau: 18
  25. Chọn kịch bản Gauss Chọn tên kịch bản “Bai tap 1” Sau khi nhập các thông số bước 1, ta click vào để nhập tiếp thông số bước 2 Hình 1.11 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 2 - Tên lưới Thông số thuộc tính - Tọa độ X,Y lưới - Chiều dài, chiều rộng lưới - Bước lưới theo trục Ox và Oy 19
  26. Hiển thị tất cả các thông số đã nhập ở bước 1 và Thông số đã nhập bước 2 Thông thường ta để các thông số này mặc định. Sau khi đã kiểm tra xong các thông số, chọn để chạy mô hình. Hình 1.12 Thông báo mô hình đang được thực hiện Hình 1.13 Kết quả chạy mô hình dạng đường đồng mức 1.4.4. Xử lý kết quả mô phỏng Để tính vệt nâng cột khói chọn công cụ trên thanh công cụ hoặc chọn Menu Mô hình à Thông số mô hình, sẽ xuất hiện hộp thoại như Hình 1.14. Hộp thoại này thể hiện thông tin chung về mô hình và các giá trị trung gian ảnh hưởng đến mô hình. Các giá trị trung gian này thay đổi theo điểm có tọa độ x, y, z so với ống khói do người sử dụng nhập vào. 20
  27. Hình 1.14 Hộp thoại Các giá trị trung gian Ghi nhận giá tri Dh=9.07 tại dòng thứ tư, ta được giá trị vệt nâng ống khói. Kết quả này cũng đã được tính toán trong mục 1.3. Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m. 21
  28. Để xác định nồng độ ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200m, ta nhập các thông số như trên theo các mục: - Nguồn thải: OK3 - Hướng: chọn hướng Tây - X(m): 1200 m - Y(m): 0 m Sau đó chọn “Chấp nhận” và đọc giá trị tại dòng thứ mười. Vậy nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m so với ống khói là 0,0956 mg/m3. Đáp số này đã được chỉ ra trong phần hướng dẫn giải bài 1.1 trong mục 1.3. 1.5. Bài tập tự giải Bài tập 1.3. Ống khói của một lò nung gạch cao 40 m, đường kính của miệng ống khói bằng 2.2 m. Biết rằng ống khói này năm giữa cánh đồng (điều kiện nông thôn). Ngày tính là 28.3.2007. Theo dự báo vào ngày này, lưu lượng khí thải là 10.02 m3/s, tải lượng chất ô nhiễm NOx bằng 32 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC, nhiệt độ không khí xung quanh là 30ºC, áp suất khí quyển bằng 1013 Mbar và tốc độ gió ở độ cao 10 m là 4.5 m/s. Cho trạng thái khí quyển là cấp C. Bằng cách mô hình biến đổi Gauss hãy: a. Tính vệt nâng ống khói. 22
  29. b. Tính toán hệ số khuếch tán sy(x) , sz(x) tại khoảng cách x = 410 m c. Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói 410 m. 3 d. Được biết quy chuẩn Việt Nam QCVN 05:2009 cho NOx là 0.2 mg/m . Hãy so sánh kết quả tính toán ở câu 3 với quy chuẩn này. e. Cho vận tốc gió đo được tại 10 m là 3.0 m/s, các thông số khác giữ nguyên như đầu bài. Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói 410 m. f. Cho ống khói nâng lên thành 45 m, các thông số khác giữ nguyên như đầu bài trên. Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói 410 m và 460 m. Hãy so sánh kết quả tính toán với TCVN 5937, 1995. Lưu ý: Lấy trung bình theo thời gian là 60 phút. 1.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 1/ Làm rõ sự khác nhau giữa σу và σz khi độ ổn định khí quyển thay đổi ? 2/ Làm rõ sự phụ thuộc giữa vận tốc gió đo được ở độ cao 10 m với vệt nâng cột khói tại miệng ống khói. Xây dựng bảng phụ thuộc giữa vận tốc gió với độ nâng cột khói. 3/ Xây dựng bảng phụ thuộc giữa độ cao ống khói với nồng độ cực đại. 4/ Xây dựng bảng phụ thuộc giữa vận tốc gió và nồng độ cực đại đạt được. 5/ Giải thích lý do vì sao cần thiết phải nâng ống khói lên cao ? Khi nào cần thiết phải nâng ống khói. 6/ Thời gian trung bình có ảnh hưởng tới giá trị nồng độ tính toán hay không ? 7/ Vận tốc gió tại độ cao h so với mặt đất là một hàm số phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: 1/Điều kiện nông thôn hay thành thị 2/Độ ổn định của khí quyển 23
  30. 2/Nhiệt độ khói thải từ ống khói Hãy chọn các phương án sau đây: a/ 1, 2, 3 b/ 1,3 c/ 1,2 d/ 2,3 8/ Đường đồng mức là gì ? vì sao cần phải xây dựng đường đồng mức Tài liệu tham khảo [1]. Bùi Tá Long, 2006. Hệ thống thông tin môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 334 trang. [2]. Bùi Tá Long, 2008. Mô hình hóa môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 441 trang. [3]. Lê Đình Quang, Phạm Ngọc Hồ, 2001. Giáo trình cơ sở lớp biên khí quyển và mô hình hóa bài toán lan truyền bụi. Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Khoa Môi trường. 90 trang. [4]. Phạm Ngọc Đăng, 1997. Môi trường không khí. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Trần Ngọc Chấn, 2000. Ô nhiễm môi trường không khí và xử lý khí thải. Tập 1, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 214 tr. [6]. Seifeld. J.H., Spyros N.P., 1998. Atmospheric chemistry and physics. From Air pollution to climate change. John Wiley and sons, Inc. 1326 pp. [7]. Noel De Nevers. Air pollution control engineering. McGraw-Hill, 1995. 506 pp. [8]. User's guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume I - User instructions. 24
  31. 2. BÀI THỰC HÀNH 2. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH BERLIAND Mô hình Berliand có tên gọi khoa học là mô hình thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ nguyên (còn gọi là mô hình K) là một trong ba nhóm mô hình chính về khí theo sự phân loại của tổ chức khí tượng thế giới. Mô hình này được trường phái khoa học do Berliand (Nga) đứng đầu nghiên cứu và áp dụng ở Liên Xô. Ở Việt Nam, mô hình này đã được nghiên cứu và triển khai từ những năm 70 của thế kỷ trước. 2.1. Mục tiêu Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phát tán ô nhiễm trong môi trường không khí theo phương pháp Berliand. 2.2. Mô tả phương pháp giải Hình 2.1. Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải dọc theo chiều gió Cơ sở của phương pháp tính được trình bày trong [2]. Dưới tác dụng của gió tự nhiên các luồng khí, bụi phụt lên từ miệng ống khói sẽ bị uống cong theo chiều gió thổi. Chất ô nhiễm dần dần bị khuếch tán rộng ra tạo thành vệt khói /Hình 2.1/. Kết quả khảo sát cho thấy các chất khí thải và bụi lơ lửng lan truyền chủ yếu theo vệt khói trong phạm vi góc cung hẹp chỉ 10º – 20º. Một số hạt bụi nặng sẽ tách khỏi vệt khói và rơi xuống mặt đất ở gần ống khói. 25
  32. Berliand đã xây dựng phương pháp tính toán ô nhiễm dựa trên cách tiếp cận thủy động lực học như được trình bày trong [2], [8], [9]. Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải L 3 (m /s) hoặc vận tốc luồng khí phụt ra W0(m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính M (g/s), nhiệt độ của khói thải Tr (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : Vận tốc gió ở độ cao 10 m 0 (m/s), nhiệt độ của khí quyển tại mặt đất Tk ( C), hệ số lưu ý tới sự biến đổi tốc độ gió theo độ 0 cao n, nhiệt độ của khí quyển tại mức 850 HPa Tk 850 ( C),thời điểm của kịch bản (t0), nhiệt độ 0 0 khí quyển tại độ cao 2 m T k,2 ( C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0,5 m T k,0.5 ( C), hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng tại độ cao 1 m so với mặt đất k1 (m2/s). Ngoài ra gia tốc trọng trường được chọn g = 9,81 m/s2. Với bụi nặng cần thêm khối 3 lượng riêng của hạt bụi ρp (g/cm ) và bán kính của hạt bụi rp(mm). Trong một số trường hợp cần phải tính toán hai giá trị k1 và k0 trước khi áp dụng mô hình Berliand khi đó các phương pháp dưới đây được áp dụng. 2.2.1. Tính toán hệ số k1 Để tính hệ số k1 trước tiên phải dựa vào thời điểm của kịch bản t0 để xác định hệ số n Bảng 2-1. Chỉ số n theo tháng và năm được khuyến cáo dùng cho Việt Nam Tháng 1 4 7 10 Năm N 0.19 0.19 0.17 0.23 0.20 Dùng các công thức sau để tính tốc độ gió ở độ cao 2m, 1 m và 0.5m n æ Z ö Vz = V10 ç ÷ è10ø trong đó Z – tương ứng là các độ cao 2m, 1 m và 0.5 m. Khi đó k1 được xác định theo các bước sau đây: éùDT DV=-VV20.5 ; DT=-TTkk,0,5,2 ; kV1 =0.104×D×+êú11.38 2 ëûêú(DV) 26
  33. Beliand khuyến cáo rằng khí không có số liệu nhiệt độ khí quyển tại độ cao 2 m T k,2 0 0 ( C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0.5 m T k,0.5 ( C) có thể sử dụng công thức tính TT- D=T kk850 1000 0 0 Trong trường hợp không có số liệu Tk ( C), Tk 850 ( C) có thể sử dụng công thức DT =1,5´=0,63.10 220,945.10 2.2.2. Tính toán hệ số k0 Để tính hệ số k0 dãy số liệu quan trắc khí tượng theo 4 obs vào các thời điểm 1h, 7h, 13h, 19h được sử dụng. Gọi V là véc tơ vận tốc gió, d là hướng gió m/s được quy đổi ra độ. Các bước xác định k0 được thực hiện như sau: 1. Xác định các thành phần của véc tơ vận tốc gió æöpdi uVii=×cosç÷ èø180 æöpdi vVii=×sin ç÷ èø180 2. Tính giá trị trung bình và phương sai của mỗi chuỗi số u , v , su, sv 11NN u==ååuii,vv, NNii==11 NN 1122 su=åå(ui-u) ,svi=-(vv) NNii==11 Trong đó N là độ dài của chuỗi (bằng 4 lần số ngày của tháng) 3. Tính hàm tự tương quan của u và v 1 Nk- Ruu()k=å(ui u)(uuik+ ) (Nk-s)u i=1 1 Nk- Rvv()k=å(vi v)(vvik+ ) (Nk-s)v i=1 Lưu ý: giá trị của k thì chỉ cần tính từ 0 đến N/2 -au k -avk 4. Xấp xỉ hàm Ruu và Rvv bằng hàm e và e . 27
  34. 5. Khi đã xấp xỉ đươc 2 hàm trên thì có thể tính được hệ số k0 như sau: su sv Ku = , Kv = au av Giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị này làm k0. Nói cách khác k0 = min (Ku, Kv) Phương pháp trên đòi hỏi phải có số liệu quan trắc khí tượng cho nên trong thực tế Berliand đã đưa ra một phương pháp đánh giá nhanh khác. Dựa trên giá trị k1 vừa mới được tính trong bước trên ta tính 2 k1 k1 5 1 kh = 0,05 2 , trong đó h = 0,05 , ωz = 7,29.10 grad , z1 = 1 (m). 2z1 ωz 2z1ωz Tiếp theo ta sử dụng một trong hay công thức dưới đây để tính Vh n æöh lnhZ- ln 0 VVh = 10 ç÷ hay VVh = 10. èø10 ln10- ln Z0 và cuối cùng k0 được xác định như sau: k0 = kVhh 2.2.3. Tính toán vệt nâng cột khói Việc tính toán độ cao hiệu dụng của ống khói là đối tượng nghiên cứu của nhiều công trình thực nghiệm. Công thức được đề tài cấp nhà nước số 42A.04.01 khuyến cáo áp dụng tại Việt nam như sau: 1,5.W .R æ 3,3.g.R .DT ö DH = 0 0 ç2,5 + 0 ÷ , DT = T -T ç 2 ÷ r k V10 è (Tk + 273,1).V10 ø trong đó DT – Hiệu nhiệt độ giữa khí thải ra khỏi miệng ống khói (Tr) và nhiệt độ môi trường không khí xung quanh (Tk); R0 – Bán kính miệng ống khói (m); Berliand khuyến cáo trong trường hợp địa hình phức tạp thì thay cho V10 sử dụng vận tốc gió tại độ cao ống khói VH. Khi đó độ cao hiệu dụng được tính theo công thức sau đây: 28
  35. Hef = H + DH trong đó Hef – độ cao hiệu dụng của ống khói (m); tiếp theo đây Hef được ký hiệu bằng H. Bài tập 2.1. Kết quả quan trắc khí tượng tại khu vực khu công nghiệp Biên hòa 1 đã cho trong Bảng 4-8. Hãy tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 theo phương pháp được chỉ ra trong mục 2.2.2. Bài tập 2.2. Nhà máy A có ống khói cao 40 m, đường kính trong của miệng ống khói là 2,0 m, vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC. Kích thước khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch 2 tán rối đứng k1 =0,03 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Biết rằng vận tốc gió đo đạc được tại độ cao 10 m bằng 2 m/s và nhiệt độ không khí xung quang bằng 25°C. Dùng phương pháp mô hình Berliand hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 500 m so với ống khói. Bài tập 2.3. Nhà máy A có ống khói cao 40m, đường kính trong của miệng ống khói là 2,0 m, vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC. Kích thước khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán 2 rối đứng k1 =0,03 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Biết rằng thời điểm tính gió lặng và nhiệt độ không khí xung quang bằng 25° C. Dùng phương pháp mô hình Berliand hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 500 m so với ống khói. Bài tập 2.4. Nhà máy A có ống khói cao 40m, đường kính trong của miệng ống khói là 2,0 m. Vào thời điểm 10 giờ ngày 30/7/2011 người ta muốn đánh giá ảnh hưởng của nguồn thải này lên môi trường xung quang. Các thông số phát thải đo được gồm: vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC. Nhiệt độ đo đạc tại độ cao 2 m và 0.5 m so với mặt đất tương ứng là 25°C và 25.6°C (do chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời). Vận tốc gió đo được tại độ cao 10 m là 2 m/s. Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 1000 m so với ống khói. 29
  36. Lưu ý: Khác với bài 5.2, bài 5.3 trong bài 5.4 cần phải xác định hệ số k0 và k1. Bài tập 2.5. Nhà máy A có ống khói cao 40m, đường kính trong của miệng ống khói là 2,0 m. Vào thời điểm 10 giờ ngày 30/7/2011 người ta muốn đánh giá ảnh hưởng của nguồn thải này lên môi trường xung quang. Các thông số phát thải đo được gồm: vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC. Vận tốc gió đo được tại độ cao 10 m là 2 m/s. Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 1200 m so với ống khói. Lưu ý: Bài này khác với bài 5.4 là không đo được thông số nhiệt độ tại độ cao 2 m và 0.5 m. Bài tập 2.6. Nhà máy B có ống khói cao 45 m, bán kính trong của miệng ống khói là r = 1,2 m, lưu lượng khí thải là 56,52 m3/s, tải lượng bụi nặng là M = 102 g/s, nhiệt độ của 3 khói thải là Ts = 228°C, khối lượng riêng của hạt bụi là: 2.3 g/cm , bán kính của hạt bụi là 20 2 μm. Phạm vi khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0,03 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Nhiệt độ không khí xung quanh 0 là Ta = 30 C. Tốc độ gió ở độ cao 10 m là 3,2 m/s. Hãy tính nồng độ bụi tại vị trí cách nguồn thải 1000 m theo hướng gió. 2.3. Các bước giải bài tập Các dữ liệu đầu vào:. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao bằng 40 (m), đường kính ống khói bằng 2 (m). Nhóm số liệu này lấy từ tái liệu thiết kế nguồn thải. Nhóm thứ hai gồm các thông số phát thải– vận tốc khí phụt bằng 10 m/s (đại lượng này bằng lưu lượng khí thải /diện tích miệng ống khói), tải lượng chất ô nhiễm cần tính bằng 90 (g/s), nhiệt độ của khói thải bằng 230 (ºC). Nhóm số liệu này lấy từ báo cáo đánh giá tác động môi trường; nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : kích thước khuếch tán rối ngang bằng 12 m, hệ số khuếch tán rối đứng bằng 0,03 m2/s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Các hệ số này được tính toán xử lý theo phương pháp thống kê cho khu vực được lựa chọn tính toán. Các thông số khí tượng đo đạc như vận tốc gió đo đạc được tại độ cao 10 m bằng 2 m/s và nhiệt độ không khí xung quang bằng 25°C được lấy từ trạm đo đạc khí tượng gần nhất. 30
  37. Trong trường hợp các hệ số khuếch tán rối đứng (k1) và hệ số kích thước khuếch tán rối ngang (k0) không được cho cần phải biết nhiệt độ không khí tại độ cao 0,5 và 2 (m). Với bụi 3 nặng cần thêm khối lượng riêng của hạt bụi ρp (g/cm ) và bán kính của hạt bụi rp(mm). Trình tự các bước tính toán bài 2.1. 1. Xác định các thành phần của véc tơ vận tốc gió với i chạy từ 1 tới N, trong đó N bằng số ngày trong tháng cần tính nhân với 4 (số lần quan trắc trong ngày vào các thời điểm 1g, 7g, 13g, 19g. æöpdi uVii=×cosç÷ èø180 æöpdi vVii=×sin ç÷ èø180 Kết quả này áp dụng cho Bảng 4-8 cho phép nhận được Bảng 2-2. Lưu ý rằng bảng này gồm 124 cặp (ui,vi). Bảng 2-2. Các thành phần vec tơ vận tốc gió ui, vi ui 0,5 -1 0,5 -1 0,707 0,5 1 1,414 0,5 -1,414 0 1,414 vi 0 0 0 0 0,707 0 0 -1,414 0 -1,414 1 1,414 ui 0,5 0,5 -1 -1 0,5 0,5 0 -1 -0,707 -1 1 -0,707 vi 0 0 0 0 0 0 2 0 -0,707 0 0 -0,707 ui 0,5 0,707 -0,707 0,5 0,5 0,5 1 0 0,5 0,5 -1,414 1,414 vi 0 -0,707 0,707 0 0 0 0 -1 0 0 -1,414 1,414 ui 0 0,5 0 0 -1 -1,414 2 -1,414 -0,707 0,5 -2,121 0 vi 0 0 -1 2 0 -1,414 0 1,414 -0,707 0 2,121 2 ui 0,5 0 1 -1,414 -0,707 0,5 0,5 0 -0,707 -0,707 1,414 0 vi 0 1 0 1,414 -0,707 0 0 1 -0,707 0,707 1,414 2 ui -0,707 0 0 0 -0,707 0,5 0,707 0 1 0,707 1,414 1,414 vi 0,707 -1 1 2 0,707 0 0,707 1 0 0,707 1,414 1,414 ui 0,707 0 0,707 2,121 1 0,707 0,707 1,414 0,707 0,5 0,707 2,121 vi 0,707 -1 0,707 2,121 0 0,707 0,707 1,414 0,707 0 0,707 2,121 ui 0,707 0 1 0 0,5 -0,707 0 1 0,5 0,5 -2 1,414 vi 0,707 -1 0 1 0 0,707 -1 0 0 0 0 1,414 ui -1 0,5 -1,414 0 0,5 0,5 1,414 0 -0,707 -0,707 -1 2,121 vi 0 0 1,414 2 0 0 1,414 2 0,707 -0,707 0 2,121 31
  38. ui 0,5 0,5 0,707 0,707 -1 0,5 1 0,707 -0,707 0 -0,707 1,414 vi 0 0 0,707 0,707 0 0 0 0,707 -0,707 -1 -0,707 1,414 ui 0,5 -1 0,5 -1 0,707 0,5 1 1,414 0,5 -1,414 0 1,414 vi 0 0 0 0 0,707 0 0 -1,414 0 -1,414 1 1,414 ui 0,5 0,5 -1 -1 0,5 0,5 0 -1 -0,707 -1 1 -0,707 vi 0 0 0 0 0 0 2 0 -0,707 0 0 -0,707 ui 0,707 -0,707 -1 0,707 vi -0,707 -0,707 0 0,707 2. Dựa trên bảng Bảng 2-2 cần xác định giá trị trung bình và phương sai của mỗi chuỗi số: 11NN u=ååuii=0,1903;vv==0,3158 NNii==11 NN 1122 su=åå(ui-u)=0,7782,svi=(vv-=)0,7591 NNii==11 Trong các công thức trên N = 124, ui, vi được lấy từ Bảng 2-2. 3. Tính hàm tương quan Ruu, Rvv của u và v. Cách tính này dùng để xấp xỉ các giá trị u và v theo hàm mũ ealpha_u và ealpha_v Bảng 2-3. Bảng hàm tương quan Ruu và Rvv STT Ruu Rvv 1 1 1 2 0,016 0,071 3 0,015 0,077 4 0,057 0,437 5 0,283 0,068 6 0,133 0,333 7 0,08 0,044 8 0,052 0,367 9 0 0,259 10 0,014 0,021 11 0,145 0,351 12 0,006 0,072 13 0,076 0,382 14 0,059 0,106 15 0,074 0,263 32
  39. 16 0,056 0,121 17 0,026 0,001 18 0,01 0,304 19 0,087 0,016 20 0,003 0,026 21 0,019 0,294 22 0,086 0,232 23 0,092 0,217 24 0,131 0,173 25 0,156 0,016 26 0,016 0,222 27 0,061 0,048 28 0,084 0,247 29 0,224 Sau khi đã sấp xỉ u và v theo một hàm mũ ealpha_U và ealpha_V , ta tính được alphaU và alphaV, sau đó tính Ku và Kv theo công thức Ku = varianceU / alpha_U; Kv = varianceV / alpha_V; Mã nguồn trên ngôn ngữ C# như sau: double meanU = mean(u); double varianceU = variance(u, meanU); double meanV = mean(v); double varianceV = variance(v, meanV); double sumX = 0; double sumY = 0; for (int k = 0; k 0) { Ruu.Add(correlation(u, k, varianceU, meanU)); sumY += (k + 1) * Math.Log(correlation(u, k, varianceU, meanU), Math.E); sumX += (k + 1) * (k + 1); } } double alphaU = -sumY / sumX; double alpha = alphaU; 33
  40. double Ku = varianceU / alphaU; sumX = 0; sumY = 0; for (int k = 0; k 0) { Rvv.Add(correlation(v, k, varianceV, meanV)); sumY += (k + 1) * Math.Log(correlation(v, k, varianceV, meanV), Math.E); sumX += (k + 1) * (k + 1); } } double alphaV = -sumY / sumX; double Kv = varianceV / alphaV 4. Tính các giá trị Ku và Kv Ku= 9,81326477769556 Kv= 13,1539549407465 5. Giá trị k0 k0=9,81326477769556 (m) làm tròn k0=9,81 (m) Trình tự các bước tính toán bài 2.2. Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được: æö 1,5×W0×R 0 ç÷3,3×g×R×0 ΔT 1,5´10´1æ 3,3´ 9,81´1´ 205ö ΔH=ç÷2.5+ = ç2,5 + ÷ V10 ç÷(T+273,1)×V2 2 ç 2 ÷ èøxq 10 è (25 + 273,1)´ 2 ø = 60,45 (m) Từ đó suy ra chiều cao hữu dụng của ống khói là: H=h + D H = 40 + 60,45 = 100,45 (m) Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau: 0,14 æö1 u1 = 2×ç÷=1,449(m/s) èø10 Áp dụng công thức Berliand (cho điểm tại bề mặt lót) ta nhận được: 34
  41. M æ u H 1+n y 2 ö C(x, y,0) = expç - 1 - ÷ 3 2 ç 2 ÷ 2(1+ n)k1 πk0 x è (1+ n) k1x 4k0 x ø Từ đó æö1,14 90×10001,449×100,492 C(500,0,0)=×exp-ç÷ 1,52ç÷ 2(1+0,14)×0,03× π×12×500 èø(1+0,14)×0,03×500 = 0,0125*10-3̣̣ (mg/m3) = 0,0125 (mg/m3). Trình tự các bước tính toán bài 2.3. Áp dụng công thức Berliand cho trường hợp lặng gió: M 1 C(x, y,0) = ´ 2 2π ´ (1+ n)´ k 2 1+n 1 é β ´ H 2 2 ù ê 2 + x + y ú ë(1+ n) ´ k1 û Khi lặng gió thì v10<1 m/s, lấy v10= 0,5 m/s để tính độ nâng vệt khói 1,5×10×1æö33×9,81×1×205 ΔH=ç÷2,5+2 =2743,782(m) 0,5èø(25+273,1)×0,5 Khi đó độ cao hữu dụng là: H = 2783,782 (m) Từ đó 90×10001 C(500,0,0)=×=0,25552(mg/m)3 2π(1+0,14)×0,03 21+0.14 2 éù(2×0,03)×2783,782 2 êú2 +500 ëû(1+0,14)×0,03 Trình tự các bước tính toán bài 2.4. Trước tiên ta cần xác định hai hệ số tham gia trong mô hình là k1 và k0. Công thức xác định các hệ số này được trình bày trong mục 2.2.1 và 2.2.2. Thời điểm tính là ngày 30/7/2011 do vậy từ Bảng 2-1 ta xác định được n = 0,17 Ta áp dụng các công thức và trình tự dưới đây để tính toán hệ số k1 35
  42. éùDT DV=-VV20.5 ; DT=-TTkk,0.5,2 ; kV1 =0,104×D×+êú11,38 2 ëûêú(DV) 0,17 0,17 æö2 æö0.5 V2=2×ç÷=1,52(m/s) , V0.5 =2×ç÷=1,2(m/s) , DV=VV2-=0.5 0,32 (m/s) èø10 èø10 éùDT éù0,6 kV=0,104´D´1+1,38=0,104´0,321+=1,380,3 2 DT=TTkk,0,5-=,2 0.6 ,1 êú2 êú2 (m /s) ëûêú(DV) ëû0,32 Dựa trên giá trị k1 vừa mới được tính trong bước trên ta tính 2 2 k1 0,3 2 kh =0,052=0,05´=25- 30,86 (m /s) 2z1ωz 2´1´´7,2910 k1 0,3 5 1 trong đó h =0,05==0,05-5 102,88 , ωz = 7,29.10 grad , z1 = 1 (m). 2z1ωz 2´1´´7,2910 Tiếp theo ta sử dụng một trong hay công thức dưới đây để tính Vh n 0.17 æh öæö102,88 VVh =10 ç÷=2´=ç÷2,97 (m/s) è10øèø10 và cuối cùng k0 được xác định như sau: k0 =kVhh==30,86/2,9710,39 (m) Các bước tiếp theo sẽ lặp lại giống như bài tập 4.2. Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được: æö 1,5×W0×R 0 ç÷3,3×g×R×0 ΔT 1,5´10´1æ 3,3´ 9,81´1´ 205ö ΔH=ç÷2,5+ = ç2,5 + ÷ V10 ç÷(T+273,1)×V2 2 ç 2 ÷ èøxq 10 è (25 + 273,1)´ 2 ø = 60,44794 (m) Từ đó suy ra chiều cao hữu dụng của ống khói là: H=h + D H = 40 + 60,44794 = 100,44794 (m) Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau: 36
  43. 0,17 æö1 u1 = 2×ç÷=1,352(m/s) èø10 Áp dụng công thức Berliand (cho điểm tại bề mặt lót) ta nhận được: M æ u H 1+n y 2 ö C(x, y,0) = expç- 1 - ÷ 3 2 ç 2 ÷ 2(1+ n)k1 πk0 x è (1+ n) k1x 4k0 x ø æö1,17 90×1000 1,352×100,492 Từ đó C(1000,0,0)=×exp-ç÷ 1,5 ç÷2 2(1+0,17)×0,3× π×10.38×1000 èø(1+0,17)×0,03×1000 = 0,343988 (mg/m3). Trình tự các bước tính toán bài 2.5. Trước tiên ta cần xác định hai hệ số tham gia trong mô hình là k1 và k0. Công thức xác định các hệ số này được trình bày trong mục 2.2.1 và 2.2.2. Thời điểm tính là ngày 30/7/2011 do vậy từ Bảng 2-1 ta xác định được n = 0,17. Ta áp dụng các công thức và trình tự dưới đây để tính toán hệ số k1. Do không có số liệu đo nhiệt độ tại các độ cao 2 m và 0.5 m cho nên ta áp dụng công thức D=T 0,945.10-2 éù DT 2 kV1=0,104´D´êú1+=1,382 0,025 (m /s) ëûêú(DV) Dựa trên giá trị k1 vừa mới được tính trong bước trên ta tính 2 2 k1 0,025 2 kh =0,052=0,05´=25- 0,214 (m /s) 2z1ωz 2´1´´7,2910 k1 0,025 5 1 trong đó h =0,05==0,05-5 8,57 , ωz = 7,29.10 grad , z1 = 1 (m). 2z1ωz 2´1´´7,2910 Tiếp theo ta sử dụng một trong hay công thức dưới đây để tính Vh n 0.17 æh öæö8,57 VVh =10 ç÷=2´=ç÷1,54 (m/s) è10øèø10 37
  44. và cuối cùng k0 được xác định như sau: k0 =kVhh==0.214/1,540,14 (m) Các bước tiếp theo sẽ lặp lại giống như bài tập 2.2. Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được: æö 1,5×W0×R 0 ç÷3,3×g×R×0 ΔT 1,5´10´1æ 3,3´ 9,81´1´ 205ö ΔH=ç÷2,5+ = ç2,5 + ÷ V10 ç÷(T+273,1)×V2 2 ç 2 ÷ èøxq 10 è (25 + 273,1)´ 2 ø = 60,44794 (m) Từ đó suy ra chiều cao hữu dụng của ống khói là: H=h + D H = 40 + 60,44794 = 100,44794 (m) Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau: 0,17 æö1 u1 = 2×ç÷=1,352(m/s) èø10 Áp dụng công thức Berliand (cho điểm tại bề mặt lót) ta nhận được: M æ u H 1+n y 2 ö C(x, y,0) = expç- 1 - ÷ 3 2 ç 2 ÷ 2(1+ n)k1 πk0 x è (1+ n) k1x 4k0 x ø Từ đó æö1,17 90×1000 1,352×100,492 C(1200,0,0)=×exp-ç÷ 1,5 ç÷2 2(1+0,17)×0,025×3,14*0,14×1200 èø(1+0,17)×0,025×1200 = 0,04 (mg/m3). Trình tự các bước tính toán bài 2.6. Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được: æö 1,5×W0×R 0 ç÷3,3×g×R×0 ΔT ΔH=ç÷2.5+ = V10 ç÷(T+273,1)×V2 èøxq 10 38
  45. 1,5´12,5´1,2æö3,3´9,81´´1,2198 2,5+ = 35 (m) ç÷2 3,2èø(30+´273,1) 3,2 Lưu ý rằng trong công thức trên vận tốc khí phụt được tính như sau: L 56,52 W=0 ==12,5(m/s) 3,14´´RR0 0 3,14´´1,21,2 Từ đó suy ra chiều cao hữu dụng của ống khói là: H=h + D H = 45 + 35 = 80 (m) Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau: 0,14 æö1 u1 = 3,2×ç÷=2,32(m/s) èø10 222 wr=1,3´10´ρpp´=1,3´10´2,3´20´=2011,96 (cm/s)=0,1196 (m/s) w 0,1196 ω===3,497 kn1 (1+) 0,03´+(10,14) Áp dụng công thức Berliand (cho điểm tại bề mặt lót) cho trường hợp bụi nặng ta nhận được: MHω(1+n)uω æöuH1+ny2 C( xy,,0) =11´expç÷ 1++2ωω12ç÷4kx 2(1+n) G(11++ωπ) k0x(k11x) èø( n) kx 0 Từ đó 102´1000´´803,497´+(10,14) 2,323,497 C (1000,0,0)= 2(1+0.14)1+2´+3,497G(1+3,497) π´12´´1000(0.031000)13,497 æö1+0,14 2,32´80 3 ´expç÷-=2 0,202(mgm/.) ç÷1+0,14´´0,031000 èø( ) Lưu ý: Hàm số Gamma, G()z , là hàm số được xác định với mọi số phức z (với z khác 0, -1, -2, ). Hàm gamma có một số tính chất như sau: Nếu Re(z)0> thì 39
  46. ¥ ¥ n m zt 1 éù tz(-1) 1 G=()zòtedt . Nếu -+(n1) <zn<- với n = 0,1,2, thì G(z).=-òêúeåtdt Tính 0 0 ëûm=0 m! æö1 æö1 π chất: G(z+1)=Gzz(), G(nn+=1)!, G(1)=G=(2)1, G=ç÷ π , Gç÷nn+=-n(21)!!. èø2 èø22 2.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Berliand) Phần mềm CAP (Computing for Air Pollution) phiên bản 2010 tích hợp các mô hình Gauss, Berliand, ISC3. Ở đây có các công cụ tính toán phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo các kịch bản khác nhau do một nguồn thải (ống khói) gây ra. Hình 2.2. Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Berliand 2.4.1. Nhập thông tin ống khói Nhập thông tin ống khói tương tự như trong mục 1.4.1. Giả sử đặt tên cho ống khói là OK5. 40
  47. Xuất hiện cửa sổ ống khói dùng để thêm hay chỉnh sửa các thông số về ống khói bao gồm: - Tên ống khói - Chiều cao ống khói (tính bằng m) - Đường kính (tính bằng m) - Vị trí đặt ống khói - Mô tả chi tiết về ống khói Để tạo mới ống khói, ta chọn công cụ trên thanh công cụ, xuất hiện hộp thoại Hình 2.3. Hình 2.3. Hộp thoại tạo ống khói Nhập tên ống khói muốn tạo và xác định chiều cao đường kính cho ống khói. Cần thiết click vào nút để lưu lại kết quả. Lưu ý: Trong cửa sổ thông tin ống khói, ta có thể tạo nhiều ống khói và lưu ở đây. 2.4.2. Xây dựng kịch bản Chọn kịch bản Berliand để mô phỏng. Để tạo kịch bản Berliand, ta thực hiện các bước sau. Vào menu “Kịch bản” và chọn “Kịch bản Berliand” Chọn công cụ trên menu công cụ cửa sổ hoặc nút 41
  48. điều khiển . Xuất hiện hộp thoại kịch bản như Hình 2.4 Hình 2.4 Cửa sổ kịch bản Berliand Hình 2.5 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang thông tin Đặt tên kịch bản là “Bai tap 3”, chọn chất ô nhiễm là “CO”. Chọn nhóm thông tin về “Vận tốc – Tần suất gió” như Hình 2.5. 42
  49. Hình 2.6 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” Chọn nút điều khiển để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về: - Hướng gió: đề bài không xác định rõ hướng gió, mặc định chọn hướng Tây - Vận tốc (m/s) ở độ cao 10m là 2m/s - Tần suất hướng gió (%): có một hướng gió tần suất là 100% - Nhiệt độ không khí (0C): nhiệt độ không khí xung quanh là 25oC Lưu ý: trong mô hình Berliand không yêu cầu thông số độ ổn định khí quyển như trong mô hình Gauss. 43
  50. Hình 2.7 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Thông số kịch bản Berliand” Trang thông số kịch bản Berliand chứa các thông số mặc định của mô hình. Ta có thể thay đổi các thông số này tùy thuộc vào giả thiết của đề. Các thông số này bao gồm: - n: hệ số lưu ý tới qui luật thay đổi vận tốc gió theo phương đứng - ko: phạm vi khuếch tán rối ngang (m) 2 - k1: hệ số khuếch tán rối đứng (m /s) - rd: bán kính hạt bụi (μm) 3 - rd: khối lượng riêng hạt bụi (g/cm ) Theo đề, thay đổi giá trị ko, k1 và n. Các giá trị còn lại để mặc định. Cuối cùng, chọn nhóm thông tin “Số liệu phát thải trong kịch bản” như Hình 2.8. 44
  51. Hình 2.8 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” Chọn nút điều khiển để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về: - Ống khói: chọn OK5 là ống khói ta tạo ra trong phần Thông tin ống khói. 3 - Lưu lượng: theo đề là 31,4 m /s. Trong đề bài cho tốc độ khí phụt w0=10 m/s, chuyển sang lưu lượng theo công thức lưu lượng bằng vận tốc khí phụt nhân với diện tích miệng ống khói. - Tải lượng: theo đề là 90 g/s - Nhiệt độ khói thải: theo đề là 230oC Sau khi hoàn tất việc nhập thông tin cho kịch bản, chọn công cụ để lưu thông tin và chọn công cụ để thoát khỏi hộp thoại. 2.4.3. Chạy kịch bản Vào tab “Bản đồ” và thực hiện theo một trong hai cách sau: 45
  52. Click chuột vào menu mô hình trên cửa sổ làm việc chọn “ Chạy mô hình” Click vào biểu tượng trên thanh công cụ Trong hộp thoại bước 1, ta thiết lập các thông tin sau: Chọn kịch bản Berliand Chọn tên kịch bản “Bai tap 3” Sau khi nhập các thông số bước 1, ta click vào để sang bước 2. Các thông số ở trang này ta để mặc định. Sau khi đã kiểm tra xong các thông số, chọn để chạy mô hình. Hình 2.9 Thông báo mô hình đang được thực hiện 46
  53. Hình 2.10 Bản đồ mô phỏng – kết quả chạy mô hình Berliand 2.4.4. Xử lý kết quả mô phỏng Để tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 500 m so với ống khói, chọn công cụ trên thanh công cụ hoặc chọn Menu Mô hình à Thông số mô hình. Xuất hiện hộp thoại như Hình 2.11. 47
  54. Hình 2.11 Hộp thoại các giá trị trung gian – Bài tập mô hình Berliand Nhập các thông số theo các mục: - Nguồn thải: OK5 - Hướng: chọn hướng Tây - X(m): 500 m - Y(m): 0 m Sau đó chọn “Chấp nhận” và đọc giá trị tại dòng thứ sáu 48
  55. Vậy nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 500 m so với ống khói là 1.3.10-5 mg/m3 2.5. Bài tập tự giải Để tiện mô tả bài tập ta sử dụng hệ tọa độ với gốc tọa độ tại chân ống khói, trục Ox hướng theo hướng gió, trục Oz hướng từ gốc lên phía trên theo ống khói, trục Oy vuông góc với Ox, Oz. Bài tập 2.6. Nhà máy A có ống khói cao 35 m, đường kính trong của miệng ống khói là 1.5 m, lưu lượng khí thải là 14,13 m3/s, tải lượng CO là M = 80 g/s, nhiệt độ của khói thải 2 là Ts = 220ºC. Hệ số khuếch tán rối ngang k0=14 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0,02 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Yếu tố khí tượng được cho như sau: gió lặng, nhiệt độ không khí xung quanh bằng 300C. Hãy tính: a/ Nồng độ chất ô nhiễm CO tại điểm có tọa độ (x,y) = (500 m, 0). Dùng phần mềm CAP hãy tính: b/ Nồng độ chất ô nhiễm CO tại điểm có toạ độ (x,y) =(500 m, 10 m). c/ Nồng độ chất ô nhiễm CO tại điểm có toạ độ (x,y) =500 m, -10 m). Bài tập 2.7. Nhà máy A có ống khói cao 35 m, đường kính trong của miệng ống khói 3 là 1,5 m, lưu lượng khí thải là 14,13 m /s, tải lượng SO2 là M = 80 g/s, nhiệt độ của khói thải 0 0 là Ts = 220ºC. Nhiệt độ đo được tại các độ cao 2m và 0,5 m là 26 C và 26,5 C, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Yếu tố khí tượng được cho như sau: gió lặng, nhiệt độ không khí xung quanh được đo tại độ cao 10m bằng 250C. Hãy tính: a/ Nồng độ chất ô nhiễm CO tại điểm có tọa độ (x,y) = (500m,0). Dùng phần mềm CAP hãy tính: b/ Nồng độ chất ô nhiễm CO tại điểm có toạ độ (x,y) =(500 m, 10 m). c/ Nồng độ chất ô nhiễm CO tại điểm có toạ độ (x,y) =(500 m, -10 m). 49
  56. 2.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 1/ Hãy cho biết tên gọi của phương pháp Berliand trong lĩnh vực mô hình hóa ô nhiễm không khí ? 2/ Hệ số khuếch tán rối ngang và đứng được ký hiệu ra sao ? Các hệ số k1 và k0 có tên gọi như thế nào ? Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tái rối đứng và ngang với các hệ số k1 và k0 ? 3/ Hãy trình bày phương pháp xác định hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang K0 theo các phương pháp khác nhau. 4/ Hãy trình bày phương pháp xác định hệ số khuếch tán rối đứng k1 theo các phương pháp khác nhau. 5/ Trình bày công thức tính toán nồng độ tại vùng sát mặt đất (z = 1- 2m) cho chất khí và bụi nhẹ trong mô hình Berliand. 6/ Trình bày công thức tính toán nồng độ tại vùng sát mặt đất (z = 1m - 2m) cho bụi nặng trong mô hình Berliand. 7/ Trình bày công thức tính toán nồng độ tại vùng sát mặt đất (z = 1- 2m) cho chất khí và bụi nhẹ trong điều kiện gió lặng. 8/ Hãy trình bày công thức tính vệt nâng ống khói Berliand. 9/ Hãy trình bày công thức tính vận tốc gió tại một độ cao bất kỳ theo vận tốc gió đo được tại độ cao 10 m. 10/ Hãy trình bày các phương pháp tính toán hệ số khuếch tán rối đứng và kích thước rối ngang trong mô hình Berliand. Tài liệu tham khảo [1]. Bùi Tá Long, 2006. Hệ thống thông tin môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 334 trang. [2]. Bùi Tá Long, 2008. Mô hình hóa môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 441 trang. 50
  57. [3]. Lê Đình Quang, Phạm Ngọc Hồ, 2001. Giáo trình cơ sở lớp biên khí quyển và mô hình hóa bài toán lan truyền bụi. Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Môi trường. 90 trang. [4]. Phạm Ngọc Đăng, 1997. Môi trường không khí. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5]. Trần Ngọc Chấn, 2000. Ô nhiễm môi trường không khí và xử lý khí thải. Tập 1, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 214 tr. [6]. Seifeld. J.H., Spyros N.P., 1998. Atmospheric chemistry and physics. From Air pollution to climate change. John wiley and sons, inc. 1326 pp. [7]. Noel De Nevers. Air pollution control engineering. McGraw-Hill, 1995. 506 pp. [8]. Берлянд М.Е.,1975. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы, - Л: Гидрометеоиздат, 436 с. [9]. Берлянд M.E.,1985. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы.- Гидрометеоиздат, 272 с. 51
  58. 3. BÀI THỰC HÀNH 3. TÍNH TOÁN Ô NHIỄM TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN DÀI HẠN Tính toán phân bố ô nhiễm trong bài thực tập số 2- 4 được thực hiện trong phạm vi thời gian ngắn (10 phút hay 60 phút) còn được gọi là nồng độ tức thời. Bên cạnh đó, khi tính toán dự báo mức ô nhiễm tại một địa điểm nào đó do một hay nhiều nguồn thải khác nhau gây ra, ngoài việc xác định nồng độ ô nhiễm tức thời, ta còn cần phải biết và dự báo được sự phân bố nồng độ trung bình ngày đêm, trung bình tháng hoặc trung bình năm của chất ô nhiễm tại địa điểm xem xét. Về phương pháp tính trung bình xem thêm trong tài liệu [2]. 3.1. Mục tiêu Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phân bố ô nhiễm trong môi trường không khí trung bình trong một phạm vi thời gian dài. 3.2. Mô tả phương pháp giải Quy tắc chung để xác định nồng độ trung bình được trình bày trong [1]-[4]. Quy tắc này có thể được phát biểu như sau: nồng độ trung bình của chất ô nhiễm tại điểm tính toán bằng tổng các thành phần PiCi . Pi – tần suất xuất hiện của các sự kiện (thông số) như: vận tốc gió, hướng gió và cấp ổn định của khí quyển. Ci – nồng độ tức thời của chất ô nhiễm tại điểm xem xét do một nguồn nhất định trong điều kiện thời tiết nhất định (vận tốc gió, hướng gió, độ ổn định) gây ra. Để thực hiện quy tắc tính toán theo biểu thức tổng quát nêu trên đòi hỏi phải có rất nhiều thông số đầu vào và khối lượng tính toán sẽ rất lớn. Do vậy trong thực tế nhiều cách tiếp cận được đưa ra để giảm thiểu tính phức tạp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác. Theo [5] trường hợp tính toán nồng độ trung bình cho thời gian ngắn, như trung bình ngày đêm chẳng hạn, ta có thể đơn giản hóa vấn đề bằng cách giả thiết rằng trong từng mùa nhất định, hè hoặc đông, cấp ổn định của khí quyển có thể thay đổi trong ngày đêm xung quanh một cấp trung bình nào đó và ta chỉ tính toán đối với cấp ổn định trung bình ấy. Ngoài ra, các cấp vận tốc gió có thể được thay thế bằng trị số vận tốc gió trung bình uTB(a) trên một hướng a nào đó cùng với tần suất xuất hiện của gió P(a) còn có tần suất lặng 52
  59. gió Plặng. Đó là tỷ lệ thời gian không có gió trên bất kỳ hướng nào, nói cách khác là u = 0. Trường hợp này khác với các trường hợp không có gió trên một hướng ai xem xét, tức là nồng độ tức thời trên hướng đó không bằng không mà có một giá trị nhất định nào đó tùy thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có bán kính tính từ điểm xem xét đến chân nguồn thải. Như đã đề cập đến trước đây, các phương pháp tính toán theo Gauss của Passquill - Gifford đều chỉ áp dụng được cho trường hợp vận tốc gió khác không (u ¹ 0) vì khi u = 0 thì các công thức tính toán của các phương pháp nêu trên đều trở nên không xác định. Do vậy để tính toán nồng độ trung bình theo GS. Trần Ngọc Chấn trong /[1],[2]/ chỉ có thể áp dụng phối hợp giữa các phương pháp tính toán vừa nêu trên với phương pháp tính toán đối với trường hợp lặng gió của Berliand hoặc dựa hẳn vào phương pháp Berliand ứng với cả hai trường hợp: có gió và lặng gió. Các mô hình tính toán thực tế đã được thực hiện trong /[1]/. Trong mục này xem xét ứng dụng cả hai mô hình Gauss – Pasquill và Berliand. Chuẩn bị các thông số đầu vào với mô hình Gauss – Pasquill : gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải (m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (g/s), nhiệt độ của khói thải (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng được cho theo 4 thời điểm đo trong ngày lúc 1g, 7g, 13g và 19g gồm: nhiệt độ không khí xung quanh (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m (m/s), trạng thái khí quyển, điều kiện nông thôn hay thành thị, áp suất khí quyển tại mặt đất. Chuẩn bị các thông số đầu vào với mô hình Berliand: gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: 3 lưu lượng khí thải L (m /s) hoặc vận tốc luồng khí phụt ra W0(m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính M (g/s), nhiệt độ của khói thải Tr (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng được đo tại 4 thời điểm trong ngày 1g, 7g, 13g, 19g gồm: Vận tốc gió ở độ cao 10 m (m/s), nhiệt độ 0 của khí quyển tại mặt đất Tk ( C), hệ số lưu ý tới sự biến đổi tốc độ gió theo độ cao n, nhiệt độ 0 của khí quyển tại mức 850 HPa Tk 850 ( C), thời điểm của kịch bản (t0), nhiệt độ khí quyển tại 0 0 độ cao 2 m T k,2 ( C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0.5 m T k,0.5 ( C), hệ số phạm vi khuếch 2 tán rối ngang k0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng tại độ cao 1 m so với mặt đất k1 (m /s). Ngoài 53
  60. ra gia tốc trọng trường được chọn g = 9.81 m/s2. Với bụi nặng cần thêm khối lượng riêng của 3 hạt bụi ρp (g/cm ) và bán kính của hạt bụi rp(mm). Để tính toán nồng độ chất ô nhiễm trung bình theo thời gian dài cần phải biết cách tính hệ số trung bình theo số liệu tần suất gió. 3.2.1. Tính toán hệ số trung bình theo số liệu tần suất gió Có thể có nhiều phương pháp gia công số liệu khí hậu về gió khác nhau. Ta quy ước gọi: tgió – thời gian có gió trên tất cả các hướng; tlặng – thời gian lặng gió; t0 = tgió + tlặng – tổng thời gian quan trắc (ngày đêm, tháng hoặc năm); tα – thời gian có gió trên hướng a; m – số hướng gió, thông thường m = 8. Phương pháp thứ nhất τ lang - Tần suất lặng gió: Plặng = τ 0 (Để đơn giản trong tính toán, ở đây tần suất được thể hiện bằng số thập phân, không dùng %) - Tần suất gió trên hướng a: τταα Pα== τgióττ0 -lang m Trường hợp này ta có: Plặng < 1 và å Pα = 1 α =1 - Hệ số trung bình ka của hướng gió a trong trường hợp này sẽ là: τατταατgióττ0 - lang kα=== hay kα= Pα (1 - Plặng) (6.1) τ0τgióτ00ττgió Phương pháp thứ hai τ lang - Tần suất lặng gió: Plặng = (như phương pháp thứ nhất) τ 0 - Tần suất gió trên hướng a: τα Pα = (6.2) τ 0 54
  61. m m Trường hợp này ta có: Plặng < 1, å Pα < 1 nhưng Plặng + å Pα = 1 α =1 α =1 Và lúc đó hệ số trung bình kα chính là Pα : ka = Pa (6.3) Phương pháp thứ ba τ lang - Tần suất lặng gió: Plặng = τ gió - Tần suất gió trên hướng a: τα Pα = (như phương pháp thứ nhất) τ gió m Trường hợp này ta vẫn có å Pα = 1, nhưng hệ số trung bình ka sẽ là: α =1 τατατταα kα=== τ0 τgió+τlangτgió++PPlangττgiógió(1)lang Pα và do đó kα = (6.4) 1+ Plang Trong ba phương pháp xử lý số liệu tần suất quan trắc tần suất gió nêu trên thì phương pháp thứ nhất được áp dụng phổ biến nhất và trong TCVN 4088 – 85 về số liệu khí hậu xây dựng số liệu gió được xử lý theo phương pháp này. 3.2.2. Công thức tính toán nồng độ trung bình Để tính toán nồng độ trung bình ngày cần sử dụng chuỗi số liệu đo ngày 4 lần vào các thời điểm 1, 7, 13, 19 giờ. Sau đó lấy trung bình cộng của các giá trị này. Giá trị nồng độ tại các thời điểm trên là giá trị trung bình theo giờ. Trong trường hợp cần tính toán nồng độ trung bình cho pháp vi thời gian dài hơn cần áp dụng phương pháp được mô tả trong tài liệu [1][2]. Công thức xác định nồng độ trung bình (ngày đêm, tháng hay phạm vi thời gian lâu hơn) của chất ô nhiễm trên mặt đất tại một vị trí tính toán nào đó do một nguồn thải thứ i gây ra được viết như sau: m Cx, y(i) = PlặngClặng(i) + åkCαα()i (6.5) α=1 Thay giá trị của hệ số trung bình ka từ công thức (6.1) – (6.4) vào (6.5) ta thu được: 55
  62. m Cx, y(i) = PlặngClặng(i) + (1 - Plặng) åPCαα()i a=1 Trong các công thức trên: Cx, y(i) – nồng độ trung bình tại vị trí có tọa độ x, y do nguồn thứ i gây ra; Cx, y(tổng) – nồng độ tổng cộng trung bình do n nguồn thải gây ra tại điểm tính toán; Clặng(i) – nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi lặng gió (u = 0); Cα(i) – nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi có gió thổi theo hướng α ứng với vận tốc gió trung bình trên hướng gió và độ ổn định trung bình của khí quyển trong suốt khoảng thời gian tính toán trị số trung bình (ngày đêm, tháng hoặc năm). Trị số Cα(i) = 0 khi điểm tính toán nằm phía đầu gió hoặc cách xa trục của hướng gió α đang xem xét. Bài tập 3.1. Ống khói của một lò nung gạch cao 40 m, đường kính của miệng ống khói bằng 2,2 m. Biết rằng ống khói này năm giữa cánh đồng (điều kiện nông thôn). Các thông số 3 kỹ thuật gồm: lưu lượng khí thải là 10,02 m /s, tải lượng chất ô nhiễm NO2 bằng 32 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC, áp suất khí quyển trung bình ngày bằng 1013 Mbar. Cho trạng thái khí quyển trung bình ngày là cấp C. Yếu tố khí tượng được cho theo bảng dưới đây: Bảng 3-1. Sự biến đổi các yếu tố khí tượng trong ngày STT Thời gian Độ ổn định khí Vận tốc Hướng gió Nhiệt độ không khí trong ngày quyển gió xung quanh 1 1 D 2 m/s Tây 250 C 2 7 C 1.5 m/s Tây Tây 250 C Nam 3 13 C 2 m/s Tây Tây 300 C Bắc 4 19 D 1.7 m/s Tây 250 C 56
  63. Bằng cách mô hình biến đổi Gauss hãy tính nồng độ chất ô nhiễm NO2 trung bình theo ngày dọc theo hướng tây tại khoảng cách x = 1000 m so với ống khói. Bài số 3.2. Nhà máy A có ống khói cao 40 m, đường kính trong của miệng ống khói là 2,0 m, vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC. Kích thước khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán 2 rối đứng k1 =0,03 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Yếu tố khí tượng được cho theo bảng dưới đây: Bảng 3-2. Sự biến đổi các yếu tố khí tượng trong ngày STT Thời gian trong Vận tốc gió Hướng Nhiệt độ không ngày gió khí xung quanh 1 1 2 m/s Tây 250 C 2 7 Lặng gió 250 C 3 13 2 m/s Tây 300 C 4 19 Lặng gió 250 C Dùng phương pháp mô hình Berliand hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO trung bình ngày tại điểm (x, y) = (500 m, 0) với trục tọa độ tại chân ống khói Ox hướng theo hướng tây. 3.3. Các bước giải bài tập Chuẩn bị các thông số đầu vào với mô hình Gauss – Pasquill (bài 3.1) : gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao (40 m), đường kính ống khói (2,2 m); nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải (10,02 m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (32 g/s), nhiệt độ của khói thải (200 ºC); nhóm thứ ba (Bảng 3-1) – các thông số khí tượng được cho theo 4 thời điểm đo trong ngày lúc 1g, 7g, 13g và 19g gồm: nhiệt độ không khí xung quanh (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m (m/s), trạng thái khí quyển, điều kiện nông thôn hay thành thị, áp suất khí quyển tại mặt đất. Ngoài ra cần xác định vị trí của điểm cần tính giá trị nồng độ trung bình. Trình tự các bước tính toán bài 3.1: Phần A: tính cho thời điểm 1 giờ 1. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 40 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3 57
  64. p æöz U()z=<U10m ç÷,zm200 èø10 Với v=2,0 (m/s) p=0,15 (độ ổn định D, điều kiện nông thôn) , z=40 m ta nhận được: 0,15 æö40 U(40m) =2,0´=ç÷ 2,46/(ms) èø10 Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói. 2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Các bước tính toán gồm: Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là: 10.02 w==2,64(m/s) p´´1,11,1 Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland ωDa æöT-T ç÷-3 khoixung_quanh Δh=ç÷1,5+2,68.10P.D u èøTKhoi Ta nhận được 2,64´2,2´-0,9æö-3 473298 Dh =ç÷1,5+2,68.10´1013´2,2´=7,86 2,46èø473 Độ cao hữu dụng được tính theo công thức H = h + Dh Ta nhận được H =40+=7,8647,86 (m) 3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3. 58
  65. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 47,86 m là 0,15 æö47,86 U(47,86m) =2,0´=ç÷2,53/(ms) èø10 4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng sy(x), sz (x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng -0,5 sy(x) = 0,08x(1+0.0001x) -0,5 sz (x) = 0,06x(1+0.00015x) Ta nhận được: -0,5 sy(1000) = 0,08×1000×(1+0,0001×1000) = 76,28 (m) -0,5 sz (1000) = 0,06×1000×(1+0,00015×1000) = 55,95 (m) 5. Với thời gian trung bình là 60 phút, cần áp dụng công thức hiệu chỉnh 0,2 æö60 σyy(60=) σ(10phut.) ç÷ èø10 σzz(60=) σ(10phut) Ta nhận được 0,2 æö60 sy(1000)½60 p = 76,28Íç÷= 109,15 (m) èø10 sz (1000)½60 p = 55,95 (m) 6. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức M æ H2 ö C(x) = expç- ÷ ç 2 ÷ puHsysz è 2sz ø Ta nhận được 59
  66. 2 32´1000æö47,86 3 C(1000)=expç÷-2 =0,457(mg/m ) 3,1415×2,53×109,15×55,95èø2×55,95 Phần B: tính cho thời điểm 7 giờ 1. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 40 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3 p æ z ö U()z = U10 mç ÷ , z < 200 m è10ø Với v10=1,5 (m/s) p=0.10 (độ ổn định C điều kiện nông thôn), z=40 m ta nhận được: 0,1 æö40 U(40m) =1,5´=ç÷ 1,72/(ms) èø10 Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói. 2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Các bước tính toán gồm: Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là: 10.02 w==2,64(m/s) p´´1,11,1 Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland ωDa æöT-T ç÷-3 khoixung_quanh Δh=ç÷1,5+2,68.10P.D u èøTKhoi Ta nhận được 2,64´2,2´-1,2æö-3 473298 Dh =ç÷1,5+2,68.10´1013´2,2´=14,98 (m) 1,72èø473 Độ cao hữu dụng được tính theo công thức H = h + Dh Ta nhận được 60
  67. H =40+=14,9854,98 (m) 3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,98 m là 0,1 æö54,98 U(54,98m) =1,5´=ç÷1,778/(ms) èø10 4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng sy(x), sz (x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng -0,5 sy(x) = 0,11x(1+0.0001x) -0,5 sz (x) = 0,08x(1+0.0002x) Điểm cần tính trong trường hợp B có tọa (x,y)=(1000*cos(22,50), -1000*sin(22,50)) = (923,879 m, - 382,683 m). Ta nhận được: -0,5 sy(923,879) = 0,11×923,879×(1+0,0001×923,879) = 97,23 (m) -0,5 sz (923,879) = 0,08×923,879×(1+0,0002×923,879) = 67,90 (m) 5. Với thời gian trung bình là 60 phút, cần áp dụng công thức hiệu chỉnh 0,2 æö60 σyy(60=) σ(10phut.) ç÷ èø10 σzz(60=) σ(10phut) Ta nhận được 0,2 æö60 sy(923,879)½60 p = 97,23Íç÷= 139,14 (m) èø10 sz (923,879)½60 p = 67,90 (m) 61
  68. 6. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức MæöyH22æö C(xy,)=exp exp ç÷22ç÷ πuσyσzèø22σσyzèø Ta nhận được 32´1000æ(-382,683)22öæö54,98 C(923,879,-382,683)=expç-22÷exp-ç÷ 3,1415×1,778×139,14×67,90è2×139,14øèø2×67,90 =0,0099(mg/m3 ) Lưu ý rằng: trong mục này có sử dụng hai hệ tọa độ. Hệ tọa độ thứ nhất với điểm cần tính (x, y) = (1000 m, 0) là hệ tọa độ toàn cục, hệ tọa độ thứ hai với hướng tây tây nam là trục Ox là hệ tọa độ địa phương. Trong hệ tọa độ địa phương điểm (1000 m, 0) có tọa độ là (1000 cos(22,5) m, 1000 sin(22,5)). Phần C: tính cho thời điểm 13 giờ 1. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 40 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3 p æ z ö U()z = U10 mç ÷ , z < 200 m è10ø Với v10=2,0 (m/s) p=0.10 (độ ổn định C điều kiện nông thôn), z=40 m ta nhận được: 0,1 æö40 U(40m) =2,0´=ç÷ 2,29/(ms) èø10 Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói. 2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Các bước tính toán gồm: Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là: 62
  69. 10.02 w==2,64(m/s) p´´1,11,1 Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland ωDa æöT-T ç÷-3 khoixung_quanh Δh=ç÷1,5+2,68.10P.D u èøTKhoi Ta nhận được 2,64´2,2´-1,2æö-3 473303 Dh =ç÷1,5+2,68.10´1013´2,2´=11,04 (m) 2,29èø473 Độ cao hữu dụng được tính theo công thức H = h + Dh Ta nhận được H =40+=11,0451,04 (m) 3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,98 m là 0,1 æö51,04 U(51,04m) =2,0´=ç÷2,35/(ms) èø10 4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng sy(x), sz (x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng -0,5 sy(x) = 0,11x(1+0.0001x) -0,5 sz (x) = 0,08x(1+0.0002x) Điểm cần tính trong trường hợp B có tọa (x,y)=(1000*cos(22,50), 1000*sin(22,50)) = (923,879 m, 382,683 m). Ta nhận được: 63
  70. -0,5 sy(923,879) = 0,11×923,879×(1+0,0001×923,879) = 97,23 (m) -0,5 sz (923,879) = 0,08×923,879×(1+0,0002×923,879) = 67,90 (m) 5. Với thời gian trung bình là 60 phút, cần áp dụng công thức hiệu chỉnh 0,2 æö60 σyy(60=) σ(10phut.) ç÷ èø10 σzz(60=) σ(10phut) Ta nhận được 0,2 æö60 sy(923,879)½60 p = 97,23Íç÷= 139,14 (m) èø10 sz (923,879)½60 p = 67,90 (m) 6. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức MæöyH22æö C(xy,)=exp exp ç÷22ç÷ πuσyσzèø22σσyzèø Ta nhận được 32´1000æ(382,683)22öæö51,04 C(923,879,-382,683)=expç-22÷exp-ç÷ 3,1415×2,35×139,14×67,90è2×139,14øèø2×67,90 =0,0078(mg/m3 ) Lưu ý: trong mục này có sử dụng hai hệ tọa độ. Hệ tọa độ thứ nhất với điểm cần tính (x, y) = (1000 m, 0) là hệ tọa độ toàn cục, hệ tọa độ thứ hai với hướng tây tây bắc là trục Ox là hệ tọa độ địa phương. Trong hệ tọa độ địa phương điểm (1000 m, 0) có tọa độ là (1000 cos(22,5) m, 1000 sin(22,5)). Phần D: tính cho thời điểm 19 giờ 64
  71. 1. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 40 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3 p æ z ö U()z = U10 mç ÷ , z < 200 m è10ø Với p=0.15, z=40 ta nhận được: 0,15 æö40 U(40m) =1,7´=ç÷ 2,09/(ms) èø10 Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói. 2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Các bước tính toán gồm: Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là: 10.02 w==2,64(m/s) p´´1,11,1 Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland ωDa æöT-T ç÷-3 khoixung_quanh Δh=ç÷1,5+2,68.10P.D u èøTKhoi Ta nhận được 2,64´2,2´-0,9æö-3 473298 Dh =ç÷1,5+2,68.10´1013´2´=9,25 2,09èø473 Độ cao hữu dụng được tính theo công thức H = h + Dh Ta nhận được H =40+=9,2549,25 (m) 65
  72. 3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 49,25 m là 0,15 æö49,25 U(49,25m) =1,7´=ç÷2,16/(ms) èø10 4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng sy(x), sz (x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng -0,5 sy(x) = 0,08x(1+0.0001x) -0,5 sz (x) = 0,06x(1+0.00015x) Ta nhận được: -0,5 sy(1000) = 0,08×1000×(1+0,0001×1000) = 76,28 (m) -0,5 sz (1000) = 0,06×1000×(1+0,00015×1000) = 55,95 (m) 5. Với thời gian trung bình là 60 phút, cần áp dụng công thức hiệu chỉnh 0,2 æö60 σyy(60=) σ(10phut.) ç÷ èø10 σzz(60=) σ(10phut) Ta nhận được 0,2 æö60 sy(1000)½60 p = 76,28Íç÷= 109,15 (m) èø10 sz (1000)½60 p = 55,95 (m) 6. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức 66
  73. M æ H2 ö C(x) = expç- ÷ ç 2 ÷ puHsysz è 2sz ø Ta nhận được 32´1000æö49,252 C(1000)=expç÷-2 =0,524 3,1415×2,16×109,15×55,95èø2×55,95 (mg/m3 ) E. Dựa trên kết quả ở các mục A, B, C, D ta tính nồng độ trung bình tại điểm (x,y) = (1000 m, 0) như sau: 0,457+0,0099++0,00780,524 C(1000,0)== 0,249mg/m3 TB 4 ( ) Đáp số: nồng độ chất ô nhiễm NO2 trung bình theo ngày dọc theo hướng tây tại khoảng cách x = 1000 m so với ống khói bằng 0,249 (mg/m3). Lưu ý: giá trị nồng độ này luôn nhỏ hơn giá trị nồng độ tức thời khi gió thổi theo hướng tây. Chuẩn bị các thông số đầu vào với mô hình Berliand (bài 3.2): gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao (40 m), đường kính ống khói (2,0 m); nhóm thứ hai - các thông số phát thải: vận tốc luồng khí phụt ra (10 m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (90 g/s), nhiệt độ của khói thải (230 ºC); nhóm thứ ba (Bảng 3-2) – các thông số khí tượng được cho theo 4 thời điểm đo trong ngày lúc 1g, 7g, 13g và 19g gồm: vận tốc gió ở độ cao 10 m (m/s), nhiệt độ của khí quyển tại mặt đất (0C), hệ số lưu ý tới sự biến đổi tốc độ gió theo độ cao n, hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng tại độ cao 1 m so 2 2 với mặt đất k1 (m /s). Ngoài ra gia tốc trọng trường được chọn g = 9.81 m/s . Trình tự các bước tính toán bài 3.2. Phần A tính cho thời điểm 1 giờ . 1. Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được: æö 1,5×W0×R003,3×g×R×ΔT 1,5´10´1æ 3,3´ 9,81´1´ 205ö ΔH=ç÷2,5+ = ç2,5 + ÷ Vç÷(T+273,1)×V2ç 2 ÷ 10èøxq10 2 è (25 + 273,1)´ 2 ø 67
  74. = 60,45 (m) 2. Từ đó suy ra chiều cao hữu dụng của ống khói là: H=h + D H = 40 + 60,45 = 100,45 (m) 3. Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau: 0,14 æö1 u1 = 2×ç÷=1,449(m/s) èø10 4. Áp dụng công thức Berliand (cho điểm tại bề mặt lót) ta nhận được: M æ u H 1+n y 2 ö C(x, y,0) = expç - 1 - ÷ 3 2 ç 2 ÷ 2(1+ n)k1 πk0 x è (1+ n) k1x 4k0 x ø Từ đó 1,14 90×1000æö1,449×100,492 -3 3 C(500,0)=×exp-ç÷2 = 0,0125*10 ̣̣ (mg/m ). 2(1+0,14)×0,03× π×12×5001,5 èø(1+0,14)×0,03×500 Phần B tính cho thời điểm 7 giờ 1. Khi lặng gió thì v10<1 m/s, lấy v10= 0.5 m/s để tính độ nâng vệt khói 1,5×10×1æö33×9,81×1×205 ΔH=ç÷2,5+2 =2743,782(m) 0,5èø(25+273,1)×0,5 2. Khi đó độ cao hữu dụng là: H = 2783,782 (m) 3. Áp dụng công thức Berliand cho trường hợp lặng gió: M 1 C(x, y,0) = ´ 2 2π ´ (1+ n)´ k 2 1+n 1 é β ´ H 2 2 ù ê 2 + x + y ú ë(1+ n) ´ k1 û Từ đó 90×10001 C(500,0,0)=×=0,25552(mg/m)3 2π(1+0,14)×0,03 21+0,14 2 éù(2×0,03)×411 2 êú2 +500 ëû(1+0,14)×0,03 Phần C tính cho thời điểm 13 giờ 68
  75. 1. Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được 1,5×10×1æö3,3×9,81×1×200 ΔH=2,5+=58,762(m/s) ç÷2 2èø(30+273,1)×2 2. Khi đó độ cao hữu dụng H là H= DH +h = 98,80m 3. Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau: 0,14 æö1 u1 = 2×ç÷=1,449(m/s) èø10 4. Từ đó 1,14 90×1000æö1,449×98,8 -33 C(500,0)=×expç÷-2 =0,0165×10(mg/m) 2(1+0,14)×0,03× π×12×5001,5 èø(1+0,14)×0,03×500 Phần D tính cho thời điểm 19 giờ. Phần trình bày giống như trường hợp B C(500,0)=0,25552(mg/m)3 Vậy nồng độ trung bình ngày tại điểm cần tính là: 4 33 10,0125.10+0.25552´+20.0165.10 3 C(x,y,0),i =åCα,i,(x,y,0) ==0,128 (mg/m) 44α=1 3.4. Ứng dụng phần mềm CAP Phần mềm CAP (Computing for Air Pollution) do PGS. TSKH. Bùi Tá Long và nhóm nghiên cứu xây dựng cho phép tính toán phân bố nồng độ chất ô nhiễm với các phạm vi thời gian trung bình khác nhau. 3.4.1. Nhập thông tin ống khói Nhập thông tin ống khói tương tự như trong mục 1.4.1. Giả sử đặt tên cho ống khói là OK4. Xuất hiện cửa sổ ống khói dùng để thêm hay chỉnh sửa các thông số về ống khói bao gồm: - Tên ống khói 69
  76. - Chiều cao ống khói (tính bằng m) - Đường kính (tính bằng m) - Vị trí đặt ống khói - Mô tả chi tiết về ống khói Để tạo mới ống khói, ta chọn công cụ trên thanh công cụ, xuất hiện hộp thoại Hình 3.1. Hình 3.1. Hộp thoại tạo ống khói Nhập tên ống khói muốn tạo và xác định chiều cao đường kính cho ống khói. Cần thiết click vào nút để lưu lại kết quả. Lưu ý: Trong cửa sổ thông tin ống khói, ta có thể tạo nhiều ống khói và lưu ở đây. 3.4.2. Xây dựng kịch bản Chọn kịch bản Gauss để mô phỏng. Cần thực hiện các bước sau. Vào menu “Kịch bản” và chọn “Kịch bản Gauss” 70
  77. Hình 3.2. Cửa sổ kịch bản Gauss Sử dụng nút trên menu công cụ hoặc nút điều khiển , xuất hiện hộp thoại kịch bản trên Hình 3.2. Hình 3.3 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang thông tin Theo đề bài, đặt tên kịch bản là “Bai61”, chọn chất ô nhiễm là “NO2”. Chọn nhóm thông tin về “Vận tốc – Tần suất gió” như Hình 3.4. Hình 3.4 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió”. 71
  78. Hình 3.5 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản” Chọn nhóm thông tin “Thông số kịch bản”. Các thông số này bao gồm: - Áp suất (Mbar): mặc định là 1013. - Vùng: theo bài 6.1 chọn Nông thôn. - Điều kiện biên và vệt nâng ống khói: để mặc định. - Thời gian tính: nhập giá trị 60 phút. Cuối cùng, chọn nhóm thông tin “Số liệu phát thải trong kịch bản” như Hình 3.6. Hình 3.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” Sau khi hoàn tất việc nhập thông tin cho kịch bản, chọn công cụ để lưu thông tin và chọn công cụ để thoát khỏi hộp thoại. 72
  79. 3.4.3. Chạy kịch bản Để chạy mô hình trong CAP 2010, ta vào tab “Bản đồ” và thực hiện theo một trong hai cách sau: Click chuột vào menu mô hình trên cửa sổ làm việc chọn “ Chạy mô hình” Click vào biểu tượng trên thanh công cụ Xuất hiện hộp thoại chạy mô hình như trong Hình 3.7. 73
  80. Hình 3.7 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1 Trong hộp thoại bước 1, ta thiết lập các thông tin sau: Chọn kịch bản Gauss Chọn tên kịch bản “Bai61” 74
  81. Sau khi nhập các thông số bước 1, ta click vào để nhập tiếp thông số bước 2 Hình 3.8 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 2 - Tên lưới Thông số thuộc tính - Tọa độ X,Y lưới - Chiều dài, chiều rộng lưới - Bước lưới theo trục Ox và Oy Thông số đã nhập Hiển thị tất cả các thông số đã nhập ở bước 1 và 75
  82. bước 2 Thông thường ta để các thông số này mặc định. Sau khi đã kiểm tra xong các thông số, chọn để chạy mô hình. Hình 3.9 Thông báo mô hình đang được thực hiện Hình 3.10 Kết quả chạy mô hình dạng đường đồng mức 3.4.4. Xử lý kết quả mô phỏng Để tính vệt nâng cột khói chọn công cụ trên thanh công cụ hoặc chọn Menu Mô hình à Thông số mô hình, sẽ xuất hiện hộp thoại như Hình 1.14. 76
  83. Hộp thoại này thể hiện thông tin chung về mô hình và các giá trị trung gian ảnh hưởng đến mô hình. Các giá trị trung gian này thay đổi theo điểm có tọa độ x, y, z so với ống khói do người sử dụng nhập vào. Hình 3.11 Hộp thoại Các giá trị trung gian Tại dòng 11 chỉ ra đáp số nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1000 m so với ống khói là 0.236 mg/m3. Đáp số này xấp xỉ với đáp số bài 6.1. 77
  84. Hình 3.12. Kết quả tính toán 3.5. Bài tập tự giải Bài tập 3.3. Ống khói của một lò nung gạch cao 45m, đường kính của miệng ống khói bằng 2,5 m. Biết rằng ống khói này năm giữa cánh đồng (điều kiện nông thôn). Các thông số 3 kỹ thuật gồm: lưu lượng khí thải là 12 m /s, tải lượng chất ô nhiễm SO2 bằng 40 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC, áp suất khí quyển trung bình ngày bằng 1013 Mbar. Cho trạng thái khí quyển trung bình ngày là cấp C. Yếu tố khí tượng được cho theo bảng dưới đây: Bảng 3-3. Sự biến đổi các yếu tố khí tượng trong ngày STT Thời gian Độ ổn định khí Vận tốc Hướng gió Nhiệt độ không khí trong ngày quyển gió xung quanh 1 1 D 2 m/s Tây 220 C 2 7 C 1.5 m/s Tây Tây 250 C Nam 3 13 C 2 m/s Tây Tây 300 C Bắc 4 19 D 1.7 m/s Tây 260 C Bằng cách mô hình biến đổi Gauss hãy tính nồng độ chất ô nhiễm NO2 trung bình theo ngày dọc theo hướng tây tại khoảng cách x = 1000 m so với ống khói. Bài tập 3.4. Nhà máy A có ống khói cao 40 m, đường kính trong của miệng ống khói là 2.0 m, lưu lượng khí thải là 21.98 m3/s, tải lượng CO là M = 120 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC. Phạm vi khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0.03 m2/s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0.14. Yếu tố khí tượng được cho theo bảng dưới đây: STT Thời gian trong Vận tốc gió Hướng Nhiệt độ không ngày gió khí xung quanh 78
  85. 1 1 2 m/s Tây 250 C 2 7 Lặng gió 250 C 3 13 2 m/s Tây 300 C 4 19 Lặng gió 280 C Dùng phương pháp mô hình Berliand hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO trung bình theo ngày dọc theo hướng tây tại khoảng cách x = 500 m so với ống khói. Bài tập 3.5. Nhà máy B có ống khói cao 35 m, đường kính trong của miệng ống khói là 1,8 m, lưu lượng khí thải là 17,8038 m3/s, tải lượng bụi nặng là M = 80 g/s, nhiệt độ của 3 khói thải là Ts = 220ºC, khối lượng riêng của hạt bụi là: 2,5 g/cm , bán kính của hạt bụi là 25 2 μm. Hệ số khuếch tán rối ngang k0 =7 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0,02 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14. Yếu tố khí tượng được cho theo bảng dưới đây: STT Thời gian trong Vận tốc gió Hướng Nhiệt độ không ngày gió khí xung quanh 1 1 2 m/s Tây 250 C 2 7 Lặng gió 250 C 3 13 2 m/s Tây 300 C 4 19 Lặng gió 280 C Dùng phương pháp mô hình Berliand hãy tính: a/ Nồng độ chất ô nhiễm bụi nặng trung bình theo ngày tại điểm (500, 0). b/Nồng độ chất ô nhiễm bụi nặng trung bình theo ngày tại điểm (500, 10). c/ Nồng độ chất ô nhiễm bụi nặng trung bình theo ngày tại điểm (500, -10). 3.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 1/ Hãy trình bày phương pháp tính nồng độ trung bình ngày cho một nguồn thải điểm? 2/ Hãy trình bày phương pháp tính nồng độ trung bình tháng cho một nguồn thải điểm ? 3/ Hãy trình bày định nghĩa tần suất gió lặng và gió theo một hướng xác định nào đó ?. 79
  86. 4/ Hãy trình bày ba phương pháp tính hệ số trung bình theo số liệu tần suất gió ? Các hệ số này đóng vai trò gì trong công thức tính nồng độ trung bình ? 5/ Hãy trình bày công thức tính toán nồng độ trung bình trong phạm vi thời gian xác định cho một nguồn thải điểm ? Ví dụ để tính toán nồng độ trung bình trong một quí hay sáu tháng cần phải có những số liệu gì và cách tiến hành ra sao ? 6/ Hãy cho biết nồng độ trung bình ngày và nồng độ tức thời tại một điểm nào đó có sự khác nhau như thế nào ? Nồng độ nào lớn hơn ?. 7/ Trình bày cách tính nồng độ trung bình ngày khi có khoảng thời gian gió lặng ? 8/ Trình bày cách tính nồng độ trung bình ngày trong trường hợp bụi nặng ? 9/ Trình bày sự khác biệt trong phương pháp tính nồng độ trung bình ngày giữa hai loại mô hình Gauss và Berliand. 10/ Hãy làm rõ cách xác định các tham số k0, k1 tham gia mô hình ? Tài liệu tham khảo [1]. Bùi Tá Long, 2008. Mô hình hóa môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 441 trang. [2]. Trần Ngọc Chấn, 2000. Ô nhiễm môi trường không khí và xử lý khí thải. Tập 1, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 214 tr. [3]. Seifeld. J.H., Spyros N.P., 1998. Atmospheric chemistry and physics. From Air pollution to climate change. John Wiley and sons, Inc. 1326 pp. [4]. User's guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume I - User instructions. 80